李桂新

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

雷達(dá)發(fā)射機(jī)一般采用可變脈沖工作比方式工作，同時(shí)具有功率密度大、高壓大電流和能量熱耗高等特點(diǎn)，這就導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的空間磁場(chǎng)分布具有很多不確定因素。顯而易見(jiàn)，發(fā)射機(jī)符合干擾源的所有特性，因此，發(fā)射機(jī)往往也是雷達(dá)中可靠性最低的分系統(tǒng)，是制約雷達(dá)系統(tǒng)整體可靠性的關(guān)鍵設(shè)備。但某些特殊體制的雷達(dá)，如氣象探測(cè)雷達(dá)、港口管制雷達(dá)、空情警戒雷達(dá)，要求雷達(dá)設(shè)備能全天候工作，對(duì)設(shè)備的可靠性提出很高要求［1］。

隨著現(xiàn)代固態(tài)發(fā)射機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一套完善的監(jiān)控系統(tǒng)既可以降低操作者的使用難度，同時(shí)又對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和性能提升具有決定性作用。

1 發(fā)射機(jī)監(jiān)控的系統(tǒng)組成

固態(tài)雷達(dá)的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)一般采用模塊化設(shè)計(jì)，各部分均能獨(dú)立工作，并通過(guò)天線由合成器將發(fā)射功率輻射到空間去。組成一個(gè)完整的固態(tài)發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊主要有:前級(jí)功放、末級(jí)功放、前級(jí)電源、發(fā)射電源、輔助電源、風(fēng)機(jī)組件、雙工開(kāi)關(guān)組件和監(jiān)測(cè)控制分機(jī)。發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

監(jiān)測(cè)控制分機(jī)是固態(tài)發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，主要負(fù)責(zé)管控發(fā)射機(jī)內(nèi)部各組成設(shè)備，對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種故障及時(shí)響應(yīng)并實(shí)施保護(hù)。監(jiān)測(cè)控制分機(jī)的另一個(gè)主要功能是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)負(fù)責(zé)與雷達(dá)主控臺(tái)的聯(lián)絡(luò)通信，從而完成雷達(dá)對(duì)發(fā)射機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

發(fā)射機(jī)內(nèi)部設(shè)備之間采用控制局域網(wǎng)總線(CAN總線)方式串行組網(wǎng)，分布節(jié)點(diǎn)多達(dá)五十多個(gè)，且分布在三個(gè)不同的機(jī)柜中。在工業(yè)控制領(lǐng)域，CAN總線具有極高的總線利用率和電磁抗干擾能力，可以根據(jù)報(bào)文的編號(hào)決定接收或屏蔽該報(bào)文，既支持多主構(gòu)架的系統(tǒng)，也支持主從方式的系統(tǒng)［2］。該總線規(guī)范能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何總線錯(cuò)誤，在發(fā)送信息遭到破壞后能自動(dòng)啟用重發(fā)機(jī)制。如果該錯(cuò)誤持續(xù)存在，在錯(cuò)誤達(dá)到128次后，該節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)脫離總線，從而不影響其他節(jié)點(diǎn)的正常工作。待總線錯(cuò)誤消失后，該節(jié)點(diǎn)又會(huì)自動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)繼續(xù)通信［3］。

在發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部，可監(jiān)控的狀態(tài)量有功放組件和電源組件的電流值、溫度值及故障狀態(tài)，風(fēng)機(jī)組件的轉(zhuǎn)速信息，機(jī)柜的出入口溫度值和風(fēng)壓值，以及天線駐波、雙工開(kāi)關(guān)位置等。監(jiān)控系統(tǒng)依靠不同的設(shè)備編號(hào)來(lái)識(shí)別這些信息。

2 雙熱備份的實(shí)現(xiàn)原理

雷達(dá)設(shè)備的工作可靠與否，直接關(guān)系到所負(fù)責(zé)空域的安全和操作員的人身安全。雙熱備份設(shè)計(jì)方案的目的就是在雷達(dá)設(shè)備工作出現(xiàn)致命性故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動(dòng)切換到備份通道，從而保證雷達(dá)能繼續(xù)正常工作。

要真正實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射機(jī)雙熱備份功能，原則上發(fā)射機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部就必須擁有兩套完全獨(dú)立的硬件設(shè)備。但考慮實(shí)際情況，采用并聯(lián)冗余和增加關(guān)鍵設(shè)備硬件相結(jié)合的方式即可滿足發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)可靠性要求［4］。

發(fā)射機(jī)內(nèi)部的功放組件、風(fēng)機(jī)組件和各種電源均采用并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)冗余備份;而監(jiān)測(cè)控制分機(jī)和雙工開(kāi)關(guān)均屬于關(guān)鍵設(shè)備，則采用增加獨(dú)立硬件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余［5］。這些設(shè)備工作時(shí)均處于熱備份狀態(tài)，發(fā)生故障時(shí)會(huì)自動(dòng)切換到備份通道繼續(xù)工作，不會(huì)影響系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

一套完整的監(jiān)測(cè)控制分機(jī)包含檢測(cè)控制模塊和雙工控制模塊兩部分，這兩個(gè)模塊均由各自獨(dú)立的電源供電。平時(shí)不需要兩套硬件均處于帶電運(yùn)行狀態(tài)，即熱備份狀態(tài)。正常主控制通道工作時(shí)，主通道中的檢測(cè)控制模塊和雙工控制模塊擁有設(shè)備的完全管控權(quán)力，既可以檢測(cè)發(fā)射機(jī)狀態(tài)，又可以控制發(fā)射機(jī);而從控制通道的檢測(cè)控制模塊和雙工控制模塊則處于熱備份狀態(tài)，只能被動(dòng)收集設(shè)備狀態(tài)信息，沒(méi)有控制權(quán)限，不能操控發(fā)射機(jī)。反之，從控制通道工作時(shí)，主控制通道處于熱備份狀態(tài)。

當(dāng)主控制通道發(fā)生故障時(shí)，發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的工作軟件會(huì)根據(jù)事先設(shè)定的判斷準(zhǔn)則自動(dòng)切換，或按主控臺(tái)指令要求人工切換到從控制通道，把控制權(quán)限移交給從通道，由從通道負(fù)責(zé)接管設(shè)備，從而使發(fā)射機(jī)繼續(xù)工作。

監(jiān)測(cè)控制分機(jī)中檢測(cè)控制模塊和雙工控制模塊在結(jié)構(gòu)上采用帶操作面板的插件形式。面板上裝配必要的指示燈和功能按鍵，這些按鍵中還包含了手動(dòng)控制按鈕。在控制軟件失效的緊急情況下，可以通過(guò)各個(gè)模塊面板上的按鍵，手動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)的操控。

雙工開(kāi)關(guān)組件是單刀雙擲開(kāi)關(guān)設(shè)備，接受主從雙工控制模塊的控制，之間采用交叉連接的方式，共能實(shí)現(xiàn)四種組合控制。

考慮到在線維修的需求，在每個(gè)功能組件的供電回路均設(shè)置了單獨(dú)電源開(kāi)關(guān)。當(dāng)設(shè)備故障時(shí)，只需關(guān)掉對(duì)應(yīng)的電源開(kāi)關(guān)，就可以在雷達(dá)發(fā)射機(jī)不停機(jī)的狀態(tài)下更換備件，能真正實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)在線維修。

3 檢測(cè)控制模塊的設(shè)計(jì)

檢測(cè)控制模塊是監(jiān)測(cè)控制分機(jī)中的管理中心，主要由基于X86構(gòu)架的PC104、實(shí)現(xiàn)總線譯碼的EPLD以及用于一些IO通道控制的外圍芯片組成。其功能原理組成圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)控制模塊功能框圖

方案中的PC104是一款嵌入式計(jì)算機(jī)，秉承了IBM-PC開(kāi)放式總線架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，為嵌入式開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)平臺(tái)。

檢測(cè)控制模塊在發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)中主要完成以下四個(gè)功能:

(1)負(fù)責(zé)巡檢發(fā)射機(jī)內(nèi)部CAN總線上的數(shù)據(jù)，并通過(guò)總線完成對(duì)各個(gè)組成節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)關(guān)機(jī)和異常故障保護(hù);

(2)負(fù)責(zé)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和雷達(dá)主控臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，上報(bào)發(fā)射機(jī)狀態(tài)信息，接收雷控的遙控指令;

(3)根據(jù)準(zhǔn)則判斷主從工作方式，并通過(guò)分機(jī)內(nèi)部的連接總線向雙工控制模塊發(fā)出雙工控制切換指令;

(4)負(fù)責(zé)檢測(cè)天線駐波等重要故障信息和面板按鍵信息，完成對(duì)發(fā)射機(jī)的控制。

4 雙工控制模塊的設(shè)計(jì)

雙工控制模塊的主要作用是自動(dòng)檢測(cè)前級(jí)放大器的工作狀態(tài)，故障時(shí)能自動(dòng)切換到備份通道。雷達(dá)的雙工開(kāi)關(guān)主要由兩個(gè)耦合器、一個(gè)射頻開(kāi)關(guān)和一個(gè)固定功率負(fù)載組成。兩路前級(jí)功放組件輸出的功率信號(hào)，各自通過(guò)一路檢測(cè)耦合器送到射頻開(kāi)關(guān)，射頻開(kāi)關(guān)是雙刀雙擲機(jī)械式開(kāi)關(guān)。前級(jí)功放組件A路工作時(shí)，由射頻開(kāi)關(guān)經(jīng)分配器把對(duì)應(yīng)的輸出功率接入到末級(jí)放大器，另一路前級(jí)功放組件B路輸出功率直接送到固定的功率負(fù)載［6］。雙工開(kāi)關(guān)原理圖如圖3所示。

圖3 雙工開(kāi)關(guān)原理圖

當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到有輸入激勵(lì)但沒(méi)有輸出信號(hào)時(shí)，由雙工控制模塊實(shí)施保護(hù)，在不停機(jī)狀態(tài)下使前級(jí)放大器組件B自動(dòng)接入末級(jí)電路，前級(jí)放大器組件A接入到固定負(fù)載，從而使發(fā)射機(jī)繼續(xù)正常工作。

雙工控制模塊的功能性原理圖如圖4所示。

圖4 雙工控制模塊功能框圖

雙工控制模塊中的關(guān)鍵器件是EPLD，實(shí)現(xiàn)的主要功能有下述三點(diǎn):

(1)完成數(shù)據(jù)總線的譯碼，實(shí)現(xiàn)與檢測(cè)控制模塊的硬件連接;

(2)根據(jù)檢測(cè)控制模塊的使能要求，完成雙工切換功能和對(duì)前級(jí)輸入射頻的控制;

(3)實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)總體送來(lái)的同步觸發(fā)脈沖進(jìn)行過(guò)脈寬、過(guò)工作比檢測(cè)，正常時(shí)直通，故障時(shí)切斷并告警。

在雙工控制模塊設(shè)計(jì)中，為提高抗干擾能力，所有的輸入輸出信號(hào)全部采用光耦隔離。嵌入在EPLD里面的軟件代碼采用模塊化設(shè)計(jì)思想，比如過(guò)脈寬/過(guò)占空比等常用功能，用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)并封裝成圖形模塊，方便日后直接調(diào)用，避免重復(fù)勞動(dòng)。

5 交叉接口電路的設(shè)計(jì)

輸入輸出通道的接口電路設(shè)計(jì)是雙機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。正常情況下，最終被控終端只有一個(gè)，而控制的輸入信號(hào)卻有兩個(gè)。如何調(diào)度兩個(gè)輸入信號(hào)來(lái)控制一個(gè)對(duì)象，主要是由控制軟件和外部硬件電路雙重保證的。

控制軟件主要負(fù)責(zé)工作方式的選擇，是工作在主控制通道還是工作在從控制通道。硬件控制電路采用差分輸出信號(hào)方式連接。差分發(fā)送芯片選用DS96F172M，，對(duì)應(yīng)差分接收芯片為 DS96F173M。其發(fā)送芯片內(nèi)部邏輯圖如圖5所示，對(duì)應(yīng)的真值表如表1所示。

圖5 發(fā)送芯片邏輯功能圖

表1 DS96F172M邏輯真值表

眾所周知，差分信號(hào)本身抗干擾能力就很強(qiáng)，該芯片還有一個(gè)關(guān)鍵的特點(diǎn)，提供使能控制信號(hào)。由表1可以看出，當(dāng)控制端(Enable引腳)為低電平時(shí)，差分芯片輸出的是高阻態(tài)。利用這種功能就很容易實(shí)現(xiàn)，當(dāng)主通道處于工作態(tài)時(shí)，控制從通道使其輸出在高阻狀態(tài)，這樣就不會(huì)影響對(duì)單一終端的控制，反之亦然。

6 主從模塊的自動(dòng)識(shí)別

主從檢測(cè)控制模塊、主從雙工控制模塊在電信設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上完全一樣，可以相互調(diào)換。模塊在身份上的區(qū)別僅僅是靠分機(jī)接線備板上設(shè)置的不同初始狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際工程中，取信號(hào)插座中一位固定引腳接入不同電平值來(lái)區(qū)分，主通道是通過(guò)一個(gè)20 K電阻上拉到+5 V，從通道就直接接到地。系統(tǒng)復(fù)位上電啟動(dòng)后，軟件立即檢測(cè)該引腳上輸入信號(hào)的狀態(tài)，如果為高電平，配置該板為主控制模塊;若為低電平，就配置為從控制模塊。主從判斷流程圖如圖6所示。

圖6 主從身份識(shí)別判斷流程

該設(shè)計(jì)方案電路簡(jiǎn)單，控制流程也不復(fù)雜。以備板插槽的位置來(lái)確定主從功能，有利于提高模塊的互換性，減少硬件的備件數(shù)量，同時(shí)也統(tǒng)一了應(yīng)用程序，方便軟件維護(hù)。

7 監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)

VxWorks是美國(guó)風(fēng)河公司1983年推出的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以性能高、占用資源小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)著稱。該系統(tǒng)包括了中斷處理、看門狗定時(shí)器、消息登錄、內(nèi)存分配、線緩沖和環(huán)緩沖管理、鏈表管理等功能，也支持 ANSI C標(biāo)準(zhǔn)，方便人員編程［7］。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核、卓越的實(shí)時(shí)性以及友好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境，使VxWorks系統(tǒng)在民用、軍工、航天等領(lǐng)域均占有很大的市場(chǎng)份額，被廣泛應(yīng)用于許多高精尖技術(shù)行業(yè)。

嵌入式控制軟件的核心功能是協(xié)調(diào)管控兩套互為熱備份的監(jiān)測(cè)控制分機(jī)。控制軟件從功能角度可以分為五大作業(yè)模塊:開(kāi)關(guān)控制任務(wù)、數(shù)據(jù)通信任務(wù)、接口管理模塊和其他后臺(tái)任務(wù)。具體流程圖如圖7所示。

圖7 軟件控制流程圖

基于VxWorks多任務(wù)優(yōu)先級(jí)搶占方式的調(diào)度機(jī)制，控制軟件中的幾個(gè)任務(wù)在單位時(shí)間片上是并發(fā)進(jìn)行的［8］，每個(gè)任務(wù)劃分完成不同的工作需求。下面就四個(gè)關(guān)鍵任務(wù)做簡(jiǎn)單描述。

開(kāi)關(guān)控制任務(wù):該任務(wù)的觸發(fā)條件是主控臺(tái)的遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制指令和本地面板按鍵的控制指令。發(fā)射機(jī)收到開(kāi)機(jī)命令后，打開(kāi)發(fā)射風(fēng)機(jī)，等到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，風(fēng)壓檢測(cè)無(wú)故障后，打開(kāi)發(fā)射電源，等電源軟啟完成正常輸出電壓后，打開(kāi)末級(jí)功放組件，檢測(cè)雙工狀態(tài)，正常后開(kāi)前級(jí)組件，加發(fā)射定時(shí)輸出功率。關(guān)機(jī)按反方向進(jìn)行，待組件溫度降到合理的環(huán)境溫度條件時(shí)再關(guān)閉冷卻風(fēng)機(jī)。

數(shù)據(jù)通信任務(wù):該任務(wù)包含CAN通信任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)。對(duì)內(nèi)通過(guò)CAN總線采用主從問(wèn)答模式巡檢所有在線設(shè)備的狀態(tài)信息，并將其轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)包格式暫存在內(nèi)存中;對(duì)外實(shí)時(shí)解析雷控命令，并根據(jù)要求完成對(duì)發(fā)射機(jī)的各種控制，如:開(kāi)關(guān)機(jī)命令、通道切換命令、響應(yīng)查詢命令等。

狀態(tài)巡檢任務(wù):軟件啟動(dòng)后自動(dòng)周期性巡檢系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)采樣點(diǎn)的狀態(tài)信息和故障信息。通過(guò)消息機(jī)制實(shí)時(shí)地反饋給其他任務(wù)完成故障連鎖保護(hù)功能。

接口管理任務(wù):設(shè)置這個(gè)任務(wù)的目的是提高通道切換的實(shí)時(shí)性，盡量壓縮時(shí)間，保證系統(tǒng)故障發(fā)生后能以最快速度切換到備份通道。切換時(shí)首先關(guān)閉發(fā)射定時(shí)和目前正在工作的前級(jí)通道，然后切換開(kāi)關(guān)到備份通道，最后打開(kāi)備份前級(jí)和發(fā)射定時(shí)。

8 結(jié)束語(yǔ)

采用集中管理、分布控制的控制模型，利用兩套硬件上完全相互獨(dú)立的監(jiān)控電路，就可以完成功能上互為冗余、互為補(bǔ)充的固態(tài)發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)雙熱備份功能。此方案可有效提高發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。文中提到的諸多實(shí)現(xiàn)方法可以直接應(yīng)用于其他類似產(chǎn)品的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可節(jié)約大量人力資源和寶貴時(shí)間。

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