用于嵌入式雷達(dá)發(fā)射機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)的研制

新一代雷達(dá)裝備都設(shè)計有比較完善的機(jī)內(nèi)測試(BIT)系統(tǒng)，它能對雷達(dá)的各功能模塊進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障，將故障定位到現(xiàn)場可更換單元(LRU)，快速指導(dǎo)維修人員進(jìn)行換件維修。完善的雷達(dá)BIT系統(tǒng)顯著提高了雷達(dá)的維修保障性，使雷達(dá)出現(xiàn)的許多故障可以在現(xiàn)場維修。BIT技術(shù)的應(yīng)用，使中繼級維修的作用已日趨減弱，以兩級維修體制逐步取代三級維修體制(基層級、中繼級和基地級)。所謂兩級維修，就是將外場不能修理的零部件直接送到基地修理，而不經(jīng)過作戰(zhàn)部隊修理廠這一中繼級，外場維修人員的工作就是將故障部件拆下，換上正常部件。
大量現(xiàn)役的早期雷達(dá)，只有簡單的幾個電表在線監(jiān)測發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件。在向兩級維修體制轉(zhuǎn)變的時期，這些沒有自動檢測功能的雷達(dá)由于工作時間長，同時又失去了原有的技術(shù)保障能力，就故障頻發(fā)，尤其是工作于高頻高電壓的發(fā)射機(jī)，故障率更高，裝備完好率迅速降低。
利用成熟的單片機(jī)技術(shù)及數(shù)據(jù)采集技術(shù)研制成嵌入式系統(tǒng)，監(jiān)測這些雷達(dá)發(fā)射機(jī)中的所有關(guān)鍵器件，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某器件有故障預(yù)兆時發(fā)出報警并進(jìn)行故障隔離，可大大裝備完好率。

1 雷達(dá)發(fā)射機(jī)內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)和隔離點(diǎn)的梳理
早期雷達(dá)發(fā)射機(jī)一般采用單級振蕩式結(jié)構(gòu)，包括定時器、脈沖調(diào)制器、射頻產(chǎn)生器3個單元。
單級振蕩式發(fā)射機(jī)的定時器一般由門電路級別的簡單集成電路和石英晶體振蕩器構(gòu)成頻率源，然后經(jīng)分頻電路多級分頻輸出定時觸發(fā)脈沖，不同周期的觸發(fā)脈沖由工作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；射頻產(chǎn)生器就是一個磁控管，這也是“單級振蕩式”名稱的由來；電路最復(fù)雜的是脈沖調(diào)制器，根據(jù)脈沖調(diào)制器的任務(wù)，它基本由下列3部分組成：電源部分、能量儲存部分、脈沖形成部分。
脈沖調(diào)制器中高壓電源由升壓變壓器和整流硅堆整流而成；充電元件為電感和二極管；調(diào)制開關(guān)為氫閘流管；儲能元件為多節(jié)人工線串聯(lián)而成，并可以由繼電器控制串聯(lián)的有效節(jié)數(shù)從而改變射頻脈沖的寬度，由工作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)控制；耦合元件為脈沖變壓器。另外還有其他輔助電路，比如反肩峰脈沖電路、磁控管燈絲電流測量電路等。磁控管燈絲電流測量指示儀表為指針式微安表，但沒有聲光報警功能。
根據(jù)對發(fā)射機(jī)內(nèi)電路和元件的充分分析，結(jié)合修理發(fā)射機(jī)的先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，梳理出發(fā)射機(jī)內(nèi)部需要監(jiān)測的各點(diǎn)及其監(jiān)測參數(shù)、數(shù)量等指標(biāo)如表1所示。

當(dāng)監(jiān)測到某點(diǎn)參數(shù)超出標(biāo)稱值的范圍后，預(yù)警系統(tǒng)的液晶屏可顯示故障點(diǎn)的編號以供維修者迅速判定故障點(diǎn)，同時還可以對故障進(jìn)行簡單隔離保護(hù)，隔離保護(hù)的方式為機(jī)械式切斷相關(guān)電源或信號通路。梳理隔離點(diǎn)的形式和數(shù)量如表2所示。

2 單片機(jī)選型及其資源分配

單片機(jī)是一種集成在電路芯片上，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I／O口和中斷系統(tǒng)、定時器／計時器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機(jī)系統(tǒng)。

單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。

單片機(jī)有很多系列，其中應(yīng)用范圍和數(shù)量最大的還是MCS-51系列，并且隨著激烈的競爭，MCS-51系列也在不斷地發(fā)展，現(xiàn)在集成顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A／D轉(zhuǎn)換器等電路的MCS-51系列單片機(jī)也很多。由于設(shè)備空間的限制，加裝的嵌入式系統(tǒng)必須要實(shí)現(xiàn)自身設(shè)備的小型化，選用集成多通道高精度A／D和D／A變換器和通訊接口等是必須的，根據(jù)使用習(xí)慣及資源要求選用STC12C5628AD。

新一代宏晶芯片STC12C5628AD具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)。指令代碼和管腳直接兼容傳統(tǒng)89C52?？蛇x用的資源有：
1)時鐘：外部晶體或內(nèi)部RC振蕩器可選；
2)8／16／20／32／40／48／52／56／60／62 k字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲器；
3)1280字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器；
4)芯片內(nèi)EEPROM功能；
5)增加外部掉電檢測電路，可在掉電時，及時將數(shù)據(jù)保存進(jìn)EEPROM；
6)8通道、10位高速ADC；
7)2通道捕獲／比較單元(PWM／PCA)；
8)4個16位定時器，兼容普通8051的定時器T0／T1；
9)7路外部中斷；
10)可編程時鐘輸出功能；
11)通用I／O口(36／40／44個)。
根據(jù)以上可選資源并分析表1和表2內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)和隔離點(diǎn)，分配單片機(jī)資源如表3所示。

表3內(nèi)資源分配的簡單說明：4個外部中斷監(jiān)測電壓是否過高，方法是對4路電壓經(jīng)調(diào)理電路后接電壓比較器，若有過高電壓則電壓比較器翻轉(zhuǎn)引起相應(yīng)中斷，驅(qū)動通用I／O口6和8，分別通過繼電器切斷直流高壓或三相總電源；6路ADC通道分別接對應(yīng)的電流、功率、電壓調(diào)理電路后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并在程序中與標(biāo)稱值比較，對于允許范圍內(nèi)的波動值(隱患區(qū)的值)，則與時間信息一起被保存，供計算機(jī)下載后進(jìn)行分析；對于允許范圍外的波動值(故障區(qū)的值)，則通過通用I／O口5和6分別通過繼電器切斷觸發(fā)脈沖或直流高壓；定時器1用于計算觸發(fā)脈沖的脈寬和周期；計數(shù)器1用于測量頻率；通用I／O口1、2用于檢測工作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)的狀態(tài)，并通過通用I／O口3、4驅(qū)動繼電器使人工線保持與工作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)的同步變換；其他通用I／O口上喇叭用于聲音報警，液晶屏則顯示運(yùn)行信息或故障代碼。

3 監(jiān)測點(diǎn)接口電路設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)中單片機(jī)系統(tǒng)已為成熟技術(shù)，解決單片機(jī)監(jiān)測端口的激勵方法即接口電路設(shè)計的成為關(guān)鍵技術(shù)。接口電路又稱信號調(diào)理電路，調(diào)理就是放大、緩沖或定標(biāo)模擬信號等，使其適合于模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入，可總結(jié)為放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、過濾、激勵、冷端補(bǔ)償幾個方面。根據(jù)表1和表2知：監(jiān)測點(diǎn)主要有電壓、電流、頻率、脈沖、開關(guān)等類型，下面對主要的電壓和電流監(jiān)測點(diǎn)的接口電路舉例說明。

3．1 直流高電監(jiān)測點(diǎn)的調(diào)理電路

為使監(jiān)測信號進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換之前的電壓符合A／D轉(zhuǎn)換器的要求，選用了衰減、過濾、隔離等電路環(huán)節(jié)。如圖1所示。

圖1中R1和R2組成衰減網(wǎng)絡(luò)，其阻值比大約等于直流高壓與4．5 V的比值，即衰減網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓為4．5 V，以便于匹配A／D通道的要求。R1和R2取MΩ級1 W電阻，以控制衰減網(wǎng)絡(luò)的分流電流小于200μA。C1和C2與同軸電纜組成過濾網(wǎng)絡(luò)，以過濾高壓電源上的紋波及發(fā)射機(jī)內(nèi)的各種脈沖干擾。運(yùn)放op07構(gòu)成射極跟隨器，使衰減網(wǎng)絡(luò)與A／D通道的阻抗匹配，也就是隔離網(wǎng)絡(luò)。

3．2 電流監(jiān)測點(diǎn)的調(diào)理電路

1)微波功率測量

發(fā)射機(jī)內(nèi)微波功率測量的原理是在波導(dǎo)中預(yù)置熱電偶，熱電偶直接輸出到指針式微安表。由此可知所謂微波功率測量只不過是對發(fā)射機(jī)狀態(tài)的一種低精度監(jiān)測罷了。因此該調(diào)理電路仍舊采用圖1所示調(diào)理電路，只不過R1和R2之和約等于指針表頭的內(nèi)阻即可，一般為1 KΩ，調(diào)試時采用軟件補(bǔ)償?shù)霓k法。

2)磁控管燈絲電流測量

磁控管燈絲電流是在磁控管燈絲變壓器的副邊增加了一個繞組，該繞組輸出經(jīng)簡單的二極管整流和電容濾波后，輸送到指針式微安表顯示。正常情況下，該電流值是一直波動的，只要不超過允許的范圍即可。因?yàn)闇y量精度要求很低，所以還是采用圖3所示的調(diào)理電路。R1和R2之和約等于1kΩ。

3．3 其他監(jiān)測點(diǎn)的調(diào)理電路

1)脈寬和周期測量

脈寬和周期是同一個數(shù)字電路輸出的，其電平與單片機(jī)電平一致，可直接相連。實(shí)際電路中橋接一個微分電路，使輸出的較寬脈沖變換成窄脈沖，以利于定時器的捕獲與分辨。

2)交流電頻率測量

利用互感器后的輸出電壓是幅值為100 mV的交流電，經(jīng)半波整流后調(diào)理為0～5 V的半波直流脈動電壓。一般是對該電壓進(jìn)行高速采集計算出頻率，這樣會嚴(yán)重浪費(fèi)單片機(jī)的資源，加重運(yùn)算負(fù)擔(dān)，本方案采用如圖2所示調(diào)理電路。

R1和R2之間的電位為0 V～5 V～0 V～5 V循環(huán)變化(半個正弦波)，R3和R4之間的電位調(diào)整為2．5 V，LM324接成電壓比較器。交流電一個周期內(nèi)，在正半波上升段穿過比較電平時，比較器輸出高電平，在正半波下降段穿過比較電平時，比較器輸出低電平，在負(fù)半波內(nèi)，比較器保持低電平。這樣交流電一個周期內(nèi)輸出一個寬脈沖，經(jīng)微分電路后一正一負(fù)兩個窄脈沖，其中負(fù)向窄脈沖被二極管V2過濾，送到A／D的只有一個正脈沖，通過計數(shù)器1計數(shù)即可得到交流電的頻率值。如圖3所示。