基于MSP430的飞机无线电高度表的超声波模拟方案设计

基于MSP430的飞机无线电高度表的超声波模拟方案设计
作者：盛腾飞
来源：《科技创新与应用》2018年第20期
摘要：低高度无线电高度表是用于测量飞机在低空飞行时地面到飞机的垂直距离的无线电设备，是近地警告系统的组成部分、是重要的飞行器仪表之一。

本设计以TI公司生产的16位低功耗单片机MSP430F169为主控制核心，以STC公司生产的8位高速单片机STC89C52
作为辅助测距核心。

模仿飞机低高度无线电高度表的工作情况，使用超声波代替无线电进行测距。

本设计主要由超声波测距模块、MSP430F169主控制模块、12864液晶显示模块、4X4键盘模块、WT588D语音报警模块组成。

关键词：无线电高度表；MSP430F169；测距；声光报警
中图分类号：TH702 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0089-02
Abstract： The low altitude radio altimeter is a radio equipment used to measure the vertical distance between the ground and the aircraft in low altitude flight. It is an integral part of the near earth warning system and one of the important aircraft instruments. In this design， the 16-bit low-power single-chip microcomputer MSP430F169 is the main control core， and the 8-bit high-speed single-chip microcomputer STC89C52 produced by STC company is the auxiliary ranging core. The paper simulates the work of the aircraft's low altitude radio altimeter and uses ultrasound instead of the radio for ranging. This design is mainly composed of ultrasonic ranging module， MSP430F169 main control module， 12864 LCD module， 4×4 keyboard module， WT588D voice alarm module.
Keywords： radio altimeter； MSP430F169； ranging； acousto-optic alarm
1 系统硬件设计
1.1 主控制模块
本设计的主控制模块是基于MSP430F169低功耗16位单片机的最小系统。

此最小系统基于MSP430手册设计，在公版基础上增加了供电兼容电路，使用一个3.3V的稳压芯片
AMS1117-3.3，可直接使用5V供电。

1.2 超声波模块的电路设计
1.2.1 调制发射部分
本设计调制部分由51单片机定时器主动产生40KHZ的占空比为50%的矩形波，由于51单片机本身的带载能力有限，不足以产生足够的功率，驱动超声波发生管，故本设计加上了一级推挽电路。

由与非们74HC04组成的功率推挽电路，其作用单纯的将51单片机的输出信号进行功率放大放大，使超声波可以发生足够的距离。

超声波调制部分的原理图如下：
1.2.2 超声波接收部分
本设计使用索尼公司生产的CX20106z作为40KHZ超声波接收芯片。

CX20106接收芯片接收40KHZ超声波的原理和鉴频器类似。

通过其第5管脚的外接电阻可以调节CX20106的中心频率，其调节范围为30～60KHZ。

CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、检波器、带通滤波器、积分器及整形电路构成。

超声波接收电路如图2所示。

1.3 WT588D语音报警模块
本设计使用WT588D应用里面的按键模式应用，储存4段报警音，通过MSP430单片机给出大于10ms的低电平来模拟接地按键，4段报警音分别对应WT588D芯片的P00～P03管脚，忙检测输出低电平，输出模式为PWM波直接驱动喇叭发声，其设计电路如图3所示。

1.4 显示模块
12864显示模块，顾名思义，其横向有128个点阵，纵向有64个点阵，没16X16个点阵可以显示一个汉字，每8X16个点阵可以显示一个非中文字符，称为半宽字体。

因12864液晶显示器本身不带供电电路和灰度调节电路，故本设计需制作一个12864液晶显示底座。

1.5 供电模块
本论文所设计的这款可调稳压电源，采用三端集成LM317正电压输出和 LM337负电压输出的可调式稳压器来实现输出电压：正端输出为1.25～14.26V，负端的输出电压为-1.25～-21.55V。

1.6 键盘设计
本设计所使用的键盘为4X4标准矩阵键盘由于MSP430的特殊性，在键盘的扫描输入端应提供4个上拉电阻，其余部分与51单片机的矩阵键盘无异。

2 本设计整体原理框图
系统逻辑简述：本设计是机载无线电高度表的超声波模拟装置，主要用作原理解析和教学教具。

此装置可以用来模拟飞机飞行时，无线电高度表的运行情况。

首先，超声波模块通过发
射、接收超声波计算出设备的离地高度、对地接近速率和地形状态。

超声波模块将这些数据通过串口通讯反馈给MSP430F169主控制模块，主控模块对这些数据进行处理。

首先生成地形变化波形图显示在12864显示模块上，其次离地高度，对地接近速率和内置的安全阈值进行比较，如果超出了安全阈值，主控模块控制WT588D模块发出和飞机近地警告系统相同的告警音，如“TERRAIN，TERRAIN”、“WHOOP WHOOP，PULL UP，PULL UP”、“SINK RATE”等等，这样就很好的模拟现实中无线电高度表的工作情况。

本设计的键盘模块主要用来常规操作和设置部分参数。

3 结束语
通过多方验证，本设计可以很好的模拟无线电高度表和EGPWS近地警告系统的工作情景。

操作者手持此设备，模拟飞机在空中飞行，则离地高度，对地接近速率以及垂直方向上的地形信息，都可以通过12864显示器显示出来，后期也可以通过软件做出高度变化的折线图，让操作者对地形变化有一个更直观的认识。

此设备可以应用在飞行员和机务培养的教育教学中，让学员很好的对低高度无线电高度表和EGPWS近地警告系统的工作情况有一个较好的认知。

参考文献：
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