某型平视显示器检测仪的研制

张则源

摘要：分析了某型平视显示器的功能和技术指标，给出了平视显示器检测仪的技术指标，提出了随机扫描板、光机测试台等关键技术的实现方法，给出了检测仪的设计方案。

关键词：平视显示器;检测仪;随机扫描板;精度校准

1 研究内容

平视显示器（简称平显）是显示与控制分系统的终端显示装置，通过光学组件将显示控制处理机发送来的导航、进场、着陆和攻击等图像信息，以外界真实景物为背景显示在飞行员的前方，供飞行员了解飞机状态，操控飞机进行攻击等操作。研制平视显示器检测仪能为平显提供检测修理和保障手段。

为保证攻击精度，平显对显示画面的位置精度有较高要求，需要对平显光路和显示精度进行校准，研究内容主要包括以下几个方面：

1）研究随机扫描法的实现方法，研制随机扫描板，输出满天星画面和方格画面，提供精度调试的激励信号，输出导航画面，方便观察平显画面显示质量。

2）研究光路测量方法，研制光机测试台，为平显提供光路调试的光学基准。

3）研究检测仪软件的实现方法，要求具有良好的人机操作界面，操作简便。

2 设计方案

2.1 总体设计

平显检测仪由检测仪和光机测试台两部分组成。检测仪使用7U机箱，采用PC104计算机作为控制计算机，由随机扫描板、继电器模块、液晶屏、触摸屏和电源模块组成，实现对平显的供电、控制和激励信号的输出，其中随机扫描板为检测仪的核心模块，图1为检测仪的原理框图，图2为检测仪的内部结构图。

光机测试台由主导轨、横向副导轨、纵向副导轨、经纬仪安装板、平显安装支座、平行光管龙门架和平行光管组成，是平显的光路、视差和显示精度调校的光学基准。图3为光机测试台的结构图。

2.2 设计技术指标

检测仪应能输出给平显基准画面信号，其电压信号应稳定、可靠，电压转换为角度后的误差小于30”，光机测试台应能稳定地安装平视显示器，保证平显的光轴与平行光管的光轴保持一致，主要技术指标如下。

1）输出满天星画面、网格画面和导航画面的激励信号，要求X和Y偏转电压精度误差≤lOmV。

2）光机测试台平行光管总视场为30°，格值为10′，视场角精度要求：0°～±5°范围内≤1，±5°～±10°范围内≤1.5，±10°～±15°范围内≤2。

3）光机测试台安装架光轴应与平行光管的光轴保持一致，偏差≤30”。

2.3 检测仪的设计

检测仪以PC104工业控制计算机为控制主体，采用总线结构，将随机扫描板、继电器板等控制单元以模块形式安装在总线上，通过应用软件，以触摸的方式进行控制，其中随机扫描板、光机测试台均为自行研制。

1）随机扫描板的研制

随机扫描板用于产生满天星画面、导航画面和网格画面，为显示画面的精度调整提供基准，其画面扫描方式为随机扫描方式。随机扫描板没有通用模块可用，需要自研，是检测仪的核心板块，主要输出X、Y和Z三路信号，其中X、Y为偏转信号（见图4），是VP-P=±20V的差分模拟信号，为满足误差小于30”的要求，误差应≤±lOmV。Z信号为辉亮信号。

随机扫描板主要由FPGA、数模转换芯片等构成，画面的信息存储在FPGA存储芯片内，核心模块采用Verilog硬件描述语言编写，控制图像数据的发送。图5为满天星画面，用于显示画面中各位置点的精度调整，图6为网格画面，能方便观察显示画面的正交性，图7为常用的导航画面，能直观观察平显画面的显示质量。

2）光机测试台

光機测试台为平视显示器显示画面的比例尺、正交性等提供基准，能对平显显示视场进行测定，对平显视差进行测量，显示字符的位置精度以便调试。检测光机测试台由主导轨、横向副导轨、纵向副导轨、经纬仪安装板、平显安装支座、平行光管龙门架和平行光管组成。

a.主导轨

主导轨基座材料为铸铁，尺寸为1500mm×300mm×90mm，配标尺。移动导轨为精密线性滑块导轨，长1500mm，测量段内的平直度误差≤±30”，主导轨有可锁紧的调平手轮，用于调平，调平范围为20mm，调平精度≤1，配装水准仪，水泡格值为30”。

b.横向副导轨和纵向副导轨

横向副导轨为精密线性滑块导轨，采用精密滚珠丝杠传动，手轮驱动，刚性锁紧，不锈钢防尘罩，配标尺，行程>300mm，导轨直线度≤20μm。

c.平行光管龙门架

架体采用优质结构钢材料，可通过螺栓对平行光管在上下、俯仰、方位和横滚多个方位进行调节，上下调节范围大于200mm，俯仰、方位角度调节范围大于±5°，横滚角度调节范围大于±l°，调节精度为l。

d.平行光管

平行光管是光机测试台的核心部件和基准，由高精度的透镜组、分划板、照明系统组成。总视场为30°，出瞳位于该系统出射透镜最后一个面上，有效口径不小于ψlOOmm，显示分划图案为正方形网格，格值为10，视场角精度要求：0°～±5°范围内≤1，±5°～±10°范围内≤1.5，±10°～±15°范围内≤2。分划线采用黑色，背景采用白光LED照明，亮度可调;平行光管在升降、方位、俯仰方向可调。

3）软件的设计

应用软件采用Microsoft Visual C++6.O编写和编译，实现对随机扫描板和继电器板的控制，控制随机扫描板发送满天星基准画面或导航画面，控制继电器板实时显示导线的通断状态。软件能提示当前平视显示器的工作状态，尽可能地方便操作人员的操作，同时提供触摸控制功能，具有操作简单、人机界面友好的特点，操作界面见图8。

3 关键技术

随机扫描板的研制是检测仪的关键技术，图9为随机扫描板的原理框图。通过ISA总线接受上位机传来的指令，控制核心模块产生X、Y数字量偏转信号，数模转换模块接受数字量偏转信号后，将其转换为差分模拟信号输出。

核心模块采用FPGA芯片（ALTERA公司的EP3C25F324），用verilog语言编写，图像信息存储在FPGA存储芯片（EPCS16）内。设计时，先用软件反复进行仿真测试。数模转换模块采用AD768高速数模转换器、AD780高精度基准电压、AD811高性能视频运放和AD826高速低功耗双运放实现，该电路温漂小，输出误差小于lOmV，转换为角度后的误差小于1，精度高。

3.1 核心模块的实现

图10为随机扫描板核心模块的结构图，核心模块由地址译码器、图库计数器、图库、图库译码器、字符库计数器、符号库、矢量发生器和偏转计数器组成，用verilog语言设计。

核心模块通过地址译码器对发送的信息进行译码操作，图库计数器负责循环发送图库中的画面，图库中存储着满天星画面等图像，图库译码器对图库输出的信息进行译码，输出X、Y起始坐标到偏转计数器，输出字符调用信息到字符库计数器，字符库计数器再输出字符地址到符号库，符号库输出符号信息给矢量发生器，矢量发生器对符号数据进行处理，产生偏转计数器的时钟信号，使偏转计数器输出X、Y数字信号。

3.2 数模转换模块的实现

图11为X数模转换模块的原理图，核心模块发出的X、Y数字量输入AD768高速数模转换器，经AD811高性能视频运放，输出±2.5V的模拟电压，再经AD826高速低功耗双运放后输出±20V的差分模拟电压，其精度误差≤lOmV，转换角度后的精度≤30”，信号精度高，输出稳定，满足使用需求。

4 总结

本文详细阐述了某型平视显示器检测仪的系统方案及其关键技术实现方法，研究了随机扫描方式显示画面的方法、光学基准的实现方法等技术，设计研制了随机扫描板和光机测试台等，檢测仪能按某型平视显示器技术条件和修理工艺规程的要求检测所有项目。

本检测仪的研制成果和创新体现在以下几个方面：

1）该检测仪采用了工业控制计算机进行控制，模块化设计，具有自动化程度高、可靠性高和维修方便的特点。

2）研究了随机扫描方式显示画面的方法，设计研制了随机扫描板，研制的随机扫描具有画面显示稳定、显示精度高的特点。

3）研究了平显光路测量方法，研制光机测试台，为平显提供光路调试的光学基准。

4）采用了触摸屏操作，人机交互性好，提高了美观性，操作也非常简便。

该检测仪于2015年研制完成，交付使用后表现了良好的稳定性和可靠性，符合相关技术要求，保障了工厂修理任务的顺利开展。

参考文献

[1]范天慈.机载综合显示系统[M].西安：空军工程学院，1997.

[2]褚振勇，翁木云FPGA设计及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[3]夏宇闻.Verilog数字系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.