基于COTS的某導(dǎo)航雷達(dá)PMA設(shè)計(jì)

導(dǎo)航雷達(dá)是艦艇上重要的電子信息裝備之一，主要負(fù)責(zé)艦艇的導(dǎo)航定位任務(wù)。由于導(dǎo)航雷達(dá)使用頻繁，故在艦船的航行過程中，必須保持其狀態(tài)完好。由于雷達(dá)本身的技術(shù)狀態(tài)和使用維護(hù)條件等原因，雷達(dá)的維修通常必須借助于外部檢測設(shè)備，而PMA(PortableMaintenanceAid)作為艦員級的重要手段，在雷達(dá)的日常維護(hù)和維修中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

按目前的維修診斷策略,PMA主要用于解決現(xiàn)場維修中BIT(BITE)能力不足的問題，其主要功能是完成對現(xiàn)場可更換單元(LRU)的功能測試和故障信息的采集，因此，高精度數(shù)據(jù)采集是其基本功能。同時(shí)PMA對功能、體積、功耗等均有相應(yīng)的要求，因此PMA內(nèi)部功能模塊的設(shè)計(jì)往往是影響整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是較難解決的問題。

本文通過使用數(shù)字表模塊、示波器模塊等成熟的商用貨架產(chǎn)品，結(jié)合研制相應(yīng)的信號調(diào)理電路、人機(jī)接口電路、電源管理模塊等，較好地解決了以上問題。

1  導(dǎo)航雷達(dá)PMA概述

1.1  雷達(dá)PMA設(shè)計(jì)需求分析及組成原理

根據(jù)對雷達(dá)系統(tǒng)的測試需求分析,確定其艦員級維修保障使用的PMA的主要技術(shù)要求如下：

(1) 直流、交流電壓測量：

       量程：0?300V(2V、10V、100V、300V)；

       直流電壓精度：士0.25%；

交流電壓精度：±1%,頻率范圍：20Hz?100kHz。

(2) 電阻測量：量程：0~10MΩ(100、1 kΩ。、10 kΩ、100 kΩ、1 MΩ、10 MΩ)；精度：±1%。

(3) 脈沖信號測量：脈沖重復(fù)周期：10μs； 脈沖寬度：2μs。

(4) PMA供電：交流220V/50Hz,并內(nèi)置電池，無外部交流輸入時(shí)，自動轉(zhuǎn)換為內(nèi)部電池供電，工作時(shí)間要求不小于1小時(shí)。當(dāng)有交流電源供給時(shí)，自動完成電池充電。

（5）溫度條件:工作狀態(tài)：0°C?40°C；非工作狀態(tài)：一15°C?55°C。根據(jù)以上要求，該P(yáng)MA的設(shè)計(jì)功能框圖如圖1所示。

圖1中的信號調(diào)理電路用于完成外部輸入信號的調(diào)理與變換，并在對輸入電壓經(jīng)過量程轉(zhuǎn)換后分別送數(shù)字表模塊和示波器模塊進(jìn)行測量；數(shù)字表模塊可完成對輸入信號的電壓、電流及外部電路的阻抗等參數(shù)測量;示波器模塊完成對輸入信號的波形測量；電源管理模塊完成對PMA供電的管理，包括AC/DC切換、電源的充電等；AC/DC及DC/DC用于提供PMA工作所需的各種電源；PC/104主板可完成PMA的整機(jī)控制。主板與其他模塊之間的控制可以通過PC/104總線或USB總線完成；觸摸屏顯示器用于完成人機(jī)交互，以及測試診斷引導(dǎo)及測試數(shù)據(jù)的顯示。

1.2  設(shè)計(jì)方案選擇

從以上PMA的設(shè)計(jì)需求及構(gòu)成可以看出，系統(tǒng)控制模塊、示波器模塊、數(shù)字表模塊是該P(yáng)MA設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。而由于PMA要滿足便攜、電池供電狀態(tài)下的使用，因此，以上模塊的性能與體積、功耗成為限制模塊設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。其模塊設(shè)計(jì)有兩種方案。

第一種方案是研制專用模塊。即使用如TI公司的新型A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS7947等芯片研制相應(yīng)的專用電路模塊。但研制專用模塊周期長、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大，同時(shí)，可靠性較低。優(yōu)勢是可以用較低的成本完成設(shè)計(jì)。

第二種方案是使用COTS產(chǎn)品?？墒褂媚壳笆袌錾陷^為成熟的產(chǎn)品。如NI公司的專用模塊。使用COTS模塊具有研制周期短、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是相對成本較高。

綜合考慮以上因素,確定采用第二種方案進(jìn)行該P(yáng)MA的研制與設(shè)計(jì)。其中數(shù)字表模塊選用NI公司的USB-4065,數(shù)字示波器模塊選用NI公司的USB-5133,PC/104主板選用北京盛博協(xié)同科技有限公司的型號為PM-4060的PC/104主板。并在以上模塊的基礎(chǔ)上研制電源控制模塊來AC/DC及DC/DC轉(zhuǎn)換模塊、人機(jī)交互模塊，構(gòu)成PMA系統(tǒng)。PMA的控制計(jì)算機(jī)選用帶PC/104總線的嵌入式計(jì)算機(jī)模塊,與數(shù)字表模塊和示波器模塊之間的控制采用USB總線。其PMA系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

2  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1  數(shù)字多用表模塊的選擇

數(shù)字多用表模塊的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)為采樣率：3kSa/s；帶寬為100kHz；頻率范圍為0?100kHz；分辨率為22位;數(shù)字分辨率為6又1/2位;最大電壓測量范圍為一300V?﹢300V；范圍靈敏度為1mV；最小電壓測量范圍為100mV?﹢100mV；范圍靈敏度為100nV；最大電流測量范圍為一3A?﹢3A；范圍靈敏度為3μA；最小電流測量范圍為一10mA?+10mA；范圍靈敏度為10nA；最大電阻測量范圍為0-100MΩ；范圍靈敏度為100Q；最小電阻測量范圍為0-100Q；范圍靈敏度為100μΩ；最大共模電壓為300V；輸入阻抗為10MΩ。

2.2  數(shù)字示波器的參數(shù)選擇

數(shù)字示波器模塊的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如下：通道為2個(gè);連接器為BNC；輸入阻抗為1MOU19pF；輸入耦合為DC/AC/GND；分辨率為8位;精度為士（2%輸入+l%FS+300μf）；直流漂移為士（0.033%輸入+0.06%FS+40μf）/°C；交流耦合開始頻率（一3dB）為12Hz；-3dB帶寬為50MHz；帶寬限制濾波器為20MHz的噪聲濾波器;有效值噪聲為0.35%FS；采樣頻率范圍為1.526kSa/s—100MSa/s；時(shí)基頻率為100MHz；時(shí)基精度為士50ppm；緩存為32MB；

2.3  PC/104模塊

系統(tǒng)選擇的PM-4060是一款高性能的“ALLINONE”PC/104CPU模塊。PM-4060采用IntelLVPentiumMCPU,工作頻率1.3/1.4/1.6GHz可選，具有64kB—級高速緩存和2MB二級高速緩存。

2.4  供電模塊設(shè)計(jì)

PMA的供電方式有兩種，第一種是通過外部AC-DC適配器，將外部220V交流電源變換成+18.5V直流電源向PMA內(nèi)部資源供電，同時(shí)也具備向電池充電功能。另外一種供電方式，是采用鋰電池供電，設(shè)計(jì)有3.6V-4.2V共5節(jié)鋰電池串聯(lián)，最大輸出18V?21V,選用4400mAh容量，最大總功率可達(dá)90W,效率為85%。

鋰電池的管理與監(jiān)控電路采用雙龍STPCM-MG406CMEGA406）電池管理模塊,直接對鋰電池的輸出電流和電壓進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控后的數(shù)據(jù)通過SMBUS數(shù)據(jù)協(xié)議輸出,PMA在調(diào)試時(shí)提供PC端電池管理配置工具和配置軟件，通過該軟件和配置工具（與PC機(jī)通過USB連接）可以對電池的各項(xiàng)功能進(jìn)行配置，主要是調(diào)制每節(jié)電池之間的充放電的壓差。電池配置完畢后，再通過TPCM-I2CUSB-7501A鋰電池采集控制模塊將STPCM-MG406轉(zhuǎn)發(fā)的SM-BUS數(shù)據(jù)協(xié)議通過該模塊的USB接口與嵌入式PCM-LX801VES-256CPU模塊進(jìn)行對接,PMA應(yīng)用軟件調(diào)用模塊提供Windows系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動，對鋰電池電源進(jìn)行監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)充放電模式和電量顯示、以及低電量提示等諸多功能。

2.5  系統(tǒng)對外接口

PMA設(shè)計(jì)的對外接口有數(shù)字示波器探頭接口（BNC），該接口有3路,2個(gè)通道,1個(gè)觸發(fā);數(shù)字多用表接口有3個(gè)，包括電壓/電阻、電流、公共端；USB接口有2路USBHOST接口；10M/100M網(wǎng)絡(luò)接口為RJ45標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)端子。此外，電源輸入采用交流AC220V輸入，同時(shí)選用了快速4芯圓形LEMO連接器；

2.6  系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

PMA的機(jī)箱選用STPCM-HJ100工業(yè)箱體，內(nèi)部布局如圖3所示，圖4所示是其外型圖。

3  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PMA軟件的開發(fā)平臺采用LabWindows/CVI9.0面向虛擬儀器的TPS開發(fā)環(huán)境,具有測試項(xiàng)目、測試任務(wù)、測試流程、測試儀器的開發(fā)配置功能。在該平臺下，所有資源均按IVI的標(biāo)準(zhǔn)編制驅(qū)動程序，系統(tǒng)平臺在執(zhí)行具體的操作時(shí)，只要通過格式化類調(diào)用相應(yīng)的物理儀器驅(qū)動程序，然后驅(qū)動物理儀器即可。

本系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)需要及A/D模塊的具體功能,在系統(tǒng)中規(guī)劃了以下驅(qū)動程序:

(1) 初始化：AtpADCPMA_Init(ViRsrcInstr-Desc,ViSessionhandle);

(2) 關(guān)閉：ViStatusDLLEXPORTAtpADCPMA_Close(ViSessionhandle);

(3) 復(fù)位：ViStatusDLLEXPORTAtpADCPMA_Reset(ViSessionhandle);

(4) A/D采集：ViStatusDLLEXPORTAt_pADCPMA_ADC_InputConfAndSample(ViSes_sionhandle)。

4  試驗(yàn)與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證研制的PMA性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，在PMA設(shè)計(jì)完成后，可以對其主要性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1  直流電壓測試

直流電壓測試使用Fluke公司的精密信號源5520A作為直流電壓測試的標(biāo)準(zhǔn)信號源來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓，可通過數(shù)字表模塊在PMA的控制下將輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后將測量結(jié)果在顯示器上顯示。模塊的輸入電壓為一10V-+10V,測量結(jié)果如表1所列。

通過對表1所列的測量結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出，其最大相對誤差為0.244141%,最小相對誤差為0.024438%,平均相對誤差為0.127416%,其結(jié)果可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2  功耗測試

當(dāng)PMA處于非測試工作狀態(tài)時(shí),可以通過控制內(nèi)部控制整體進(jìn)入低功耗模式,從而有效降低模塊的功耗。經(jīng)測試，在低功耗模式下，5V電源的功耗與正常工作模式相比可以降低約56%。經(jīng)驗(yàn)證，該P(yáng)MA的其他技術(shù)指標(biāo)，如脈沖測量等均滿足設(shè)計(jì)要求。

5  結(jié)語

本文以COTS標(biāo)準(zhǔn)模塊為核心，配合研制相應(yīng)的電源管理、人機(jī)接口等模塊來實(shí)現(xiàn)PMA的設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求，目前已經(jīng)成功地應(yīng)用在了某導(dǎo)航雷達(dá)的艦員級維修中，在艦載雷達(dá)維修保障中發(fā)揮了積極的作用。