基于CPLD的機載小型化控制與保護(hù)

1 引言

隨著數(shù)字化電子技術(shù)日新月異的發(fā)展,借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗與先進(jìn)技術(shù)推動我國電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢在必行。復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device, cpld )作為國外最先進(jìn)的一代大規(guī)模數(shù)字器件,以其可靠性高和邏輯設(shè)計靈活的優(yōu)勢,在工業(yè)控制和軍事領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用。

機載雷達(dá)對發(fā)射機控制與保護(hù)系統(tǒng)(以下簡稱控保系統(tǒng))要求十分嚴(yán)格,不僅要求它具有完備的實時邏輯控制與保護(hù)功能,而且對其所處的環(huán)境溫度與振動條件也要求十分苛刻?；赾pld技術(shù)的機載小型化控制與保護(hù),采用了lattice 公司的isplsi1032-60lg可編程邏輯器件,工作溫度范圍從-55℃到125℃,抗振等性能較好;在設(shè)計過程中,應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)實現(xiàn)了對雷達(dá)發(fā)射機的實時與復(fù)雜邏輯控制,采用數(shù)字時間濾波技術(shù)提高發(fā)射機控保的i/o抗干擾性能;另外,由于cpld具備良好的現(xiàn)場在線可編程能力,基于cpld的控保系統(tǒng)對中小型發(fā)射機來說,在通用化、系列化、組合化應(yīng)用方面具有較高的推廣價值。

2 功能需求

控保系統(tǒng)是發(fā)射機系統(tǒng)的重要組成部分。其主要技術(shù)要求有：

(1)完成對過溫、過壓、欠壓、真空度下降、管體過流、相關(guān)電源等的實時檢測。

(2)對發(fā)射機進(jìn)行預(yù)熱延時處理,預(yù)熱完成后,按順序執(zhí)行開高壓、開觸發(fā)、開激勵等過程。

(3)為發(fā)射機調(diào)制器提供預(yù)調(diào)脈沖與前級控制脈沖。預(yù)調(diào)脈沖包括開啟脈沖與關(guān)斷脈沖,預(yù)調(diào)脈沖需進(jìn)行邏輯保護(hù),兩個脈沖不可同時為高電平。

(4)實現(xiàn)對發(fā)射機定時信號的檢測,具有過d與過τ保護(hù)功能。

(5)控保系統(tǒng)檢測到故障時,智能化關(guān)閉發(fā)射機。

3 硬件組成

雷達(dá)發(fā)射機控保主要由cpld、運算放大器電路、比較器電路、i/o接口電路、預(yù)調(diào)脈沖形成電路、控制及顯示電路組成。其硬件組成框圖如圖1所示。

圖1中,高壓檢測電路將傳感器檢測信號進(jìn)行放大,并比較產(chǎn)生過壓與欠壓的ttl接口信號送至cpld,高壓信號為模擬量信號,以行波管(travelling wave tube,twt)發(fā)射機為例,高壓包括twt的陰極高壓和收集極高壓;過流、過溫、鈦泵電流檢測電路分別提供cpld過流、過溫、真空度等相關(guān)故障信號;接口電路主要接收雷達(dá)信號處理機提供的差分傳送開關(guān)發(fā)射機指令與工作定時信號等;顯示電路指示發(fā)射機故障信息和工作狀態(tài)信息。jatg接口提供 cpld的在線編程接口。另外,該控保電路還提供了調(diào)制脈沖隔離變壓器用+20v電源和電路元器件用±12v電源。

4 工作原理

4.1 系統(tǒng)邏輯設(shè)計

基于cpld的小型化控保電路核心器件為cpld。系統(tǒng)采用4mhz晶振作時鐘基準(zhǔn)脈沖,由cpld進(jìn)行數(shù)字計數(shù)產(chǎn)生特定的時序關(guān)系,根據(jù)控制信息、發(fā)射機工作狀態(tài)和故障信息進(jìn)行綜合評估,控保系統(tǒng)將各故障信息進(jìn)行邏輯處理,產(chǎn)生故障結(jié)果,參與各節(jié)點的控制,實時保護(hù)和控制發(fā)射機開關(guān)機過程。

發(fā)射機控制與保護(hù)邏輯關(guān)系如圖2所示。指令信息包括開關(guān)高壓指令與開關(guān)調(diào)制指令,調(diào)制器用定時信號有兩組,一組為開啟脈沖,另一組為關(guān)斷脈沖,前級激勵信號控制導(dǎo)前脈沖形式。

4.2 上電復(fù)位與延時

控保上電復(fù)位十分重要,這里采用的是硬件外部復(fù)位與cpld的邏輯處理復(fù)位。其復(fù)位電路如圖3所示,reset來自于外部rc復(fù)位信號,當(dāng)時鐘穩(wěn)定后,cpld內(nèi)部產(chǎn)生一個復(fù)位信號使得各電路中的d觸發(fā)器復(fù)位,將計數(shù)器同步清零。由于電路在上電初始階段各i/o口電平均處于暫態(tài),沒有進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),這個過程實際上也是等待外圍i/o電平建立穩(wěn)定。

4.3 過d、過τ保護(hù)

過d與過τ保護(hù),即,過占空比與過脈沖寬度保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)過d與過τ故障時,立即關(guān)斷激勵與觸發(fā),以保護(hù)twt等關(guān)鍵性器件。其檢測與保護(hù)在該系統(tǒng)中是比較難的,脈沖寬度與脈沖重復(fù)頻率可變這一特點,使得信號時序關(guān)系實時處理也比較復(fù)雜。而過d與過τ保護(hù)原理比較簡單。這里舉例加以說明。

假設(shè)過d保護(hù)最大占空比為12.5%,過τ保護(hù)最大脈沖寬度為310μs。圖4(a)所示給出了待測的脈沖波形,占空比d等于τ/t,圖中τ1不等于τ2,t1不等于t2。

用于檢測的基準(zhǔn)時鐘為4mhz,cpld從脈沖上升沿電平翻轉(zhuǎn)開始計數(shù),當(dāng)電平下降沿翻轉(zhuǎn)后停止計數(shù)并鎖存數(shù)據(jù)data1, 所計數(shù)據(jù)為τ的值,它們的分辨率為1/4mhz,誤差為±0.25μs。將鎖存的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字比較,當(dāng)data1大于310/0.25即1240時,發(fā)生過τ故障。這里采用able硬件描述語言設(shè)計了1240數(shù)字比較器,程序如下：

equations

out=(i>=^d1240);

end

脈沖信號上升沿觸發(fā)d觸發(fā)器,產(chǎn)生周期脈沖波形如圖4(b)所示,當(dāng)圖4(b)中電平為高時對周期t1進(jìn)行計數(shù),為低時對周期t2進(jìn)行計數(shù),電平每發(fā)生一次翻轉(zhuǎn),鎖存周期數(shù)據(jù)data2轉(zhuǎn)入下一個周期計數(shù)。采用圖4(a)脈沖波形上升沿作適當(dāng)延時后的波形,用于數(shù)字比較器比較的觸發(fā)條件,當(dāng)8倍的data1大于data2時,即發(fā)生過d故障。當(dāng)過d/τ故障連續(xù)出現(xiàn)一定次數(shù)后,確認(rèn)為故障,輸出相應(yīng)故障信號。過d/τ保護(hù)邏輯框圖如圖 5所示。圖6給出了過d/τ保護(hù)實時仿真所得的仿真結(jié)果。

4.4 i/o接口的抗干擾處理

真空電子管發(fā)射機由于具有高壓、大功率的特點,對于低壓控保電路而言,具備較高的抗干擾能力十分重要。isplsi1032-60lg型 cpld本身的抗干擾能力較好,由于cpld的最大工作頻率為60mhz,外部微小干擾信號對于cpld來講,如不對i/o接口信號作數(shù)字濾波處理,cpld將認(rèn)為這是有效信號參與邏輯判斷,實際上,對發(fā)射機的控制是不利的,會引發(fā)故障虛警,若錯誤地處理故障虛警信息,關(guān)閉發(fā)射機,則有可能使得本次試驗失敗,造成損失,以往應(yīng)用小規(guī)模的集成電路的控保就存在類似的問題,并且很難解決。

應(yīng)用cpld技術(shù),解決抗干擾問題應(yīng)相對容易,圖7給出了實際應(yīng)用中的數(shù)字濾波技術(shù)原理圖,由4mhz信號進(jìn)行分頻計數(shù)產(chǎn)生周期為0.25μs ×256×256≈16.4ms的時鐘信號,若故障連續(xù)出現(xiàn)超過8個脈沖,則認(rèn)為是真實故障,而干擾信號不會造成故障信號輸出。

處理控制信號采用同樣的原理,當(dāng)確認(rèn)控制信息有效時,進(jìn)行相關(guān)操作。

5 結(jié)束語

經(jīng)試驗測試,上述控制與保護(hù)硬件電路和軟件的設(shè)計,具有較好的實時控制能力,在復(fù)雜的保護(hù)邏輯面前表現(xiàn)出了優(yōu)越性?；赾pld的控保系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點,有較高的推廣應(yīng)用價值。