雷達(dá)發(fā)射機(jī)溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文詳細(xì)介紹系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，軟硬件設(shè)計(jì)方案及監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高，測溫及時(shí)、準(zhǔn)確，低功耗低成本等特點(diǎn)，能夠有效保障雷達(dá)發(fā)射組件的安全。

1.引言

目前大部分雷達(dá)發(fā)射機(jī)采用全固態(tài)發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)具有集成化程度高、發(fā)射功率大、產(chǎn)生熱量大、工作溫度高等特點(diǎn)。有資料表明，在全固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)中，功率晶體管的結(jié)溫每增加10℃，發(fā)射機(jī)的可靠性就下降60%.當(dāng)前，在雷達(dá)系統(tǒng)中，普遍采用空調(diào)系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)組件進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，而空調(diào)系統(tǒng)只能按照常規(guī)固有模式運(yùn)行，不能根據(jù)季節(jié)環(huán)境溫度以及發(fā)射機(jī)工作過程中溫度的變化進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，將發(fā)射機(jī)溫度控制在合理的范圍內(nèi)，造成降溫效果不理想，影響發(fā)射機(jī)的性能和使用壽命。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和控制雷達(dá)發(fā)射機(jī)工作環(huán)境溫度的測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PIC18F87K90單片機(jī)為控制器，采集雷達(dá)發(fā)射機(jī)各測溫點(diǎn)的溫度值，并通過RS485總線發(fā)送到雷達(dá)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，當(dāng)監(jiān)測溫度超過設(shè)定閾值時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警提示;同時(shí)在雷達(dá)監(jiān)控平臺(tái)界面上，能夠?qū)照{(diào)系統(tǒng)的溫度進(jìn)行控制，達(dá)到快速、有效降溫的目的，從而使雷達(dá)發(fā)射機(jī)工作在適宜的環(huán)境中，保證發(fā)射機(jī)的安全，延長發(fā)射機(jī)的使用壽命。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)工作流程

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雷達(dá)發(fā)射機(jī)溫度測控系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、監(jiān)控測控板、溫度傳感器節(jié)點(diǎn)和發(fā)射機(jī)空調(diào)系統(tǒng)組成。

監(jiān)控計(jì)算機(jī)：本溫度測控平臺(tái)運(yùn)行在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上，監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過RS485總線與監(jiān)控測控板通信，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)控設(shè)備管理、溫度控制和報(bào)警等功能。

監(jiān)控測控板：主要集成了PIC18F87K90單片機(jī)、RS485總線接口、單總線接口、紅外發(fā)射器及相應(yīng)的指示燈等。溫度傳感器集成在測溫電纜中并掛在單總線接口上，通過單總線自動(dòng)搜索、定位所有在線溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的傳輸和傳感器故障的自檢功能。PIC18F87K90單片機(jī)完成溫度數(shù)據(jù)采集，通過RS485將數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，同時(shí)接收來自監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

溫度傳感器節(jié)點(diǎn)：由MCU和溫度傳感器組成，布置在發(fā)射機(jī)的工作環(huán)境中，偵測發(fā)射機(jī)組件各部位的溫度數(shù)據(jù)，通過單總線方式與監(jiān)控測控板通信。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)含有3個(gè)~5個(gè)數(shù)字溫度傳感器DS18B20,各個(gè)溫度傳感器之間以并聯(lián)方式通過電纜相連。測溫電纜的水平、垂直距離應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，以達(dá)到及時(shí)監(jiān)測發(fā)射機(jī)各測溫點(diǎn)溫度的變化。

雷達(dá)發(fā)射機(jī)及空調(diào)系統(tǒng)：在雷達(dá)發(fā)射機(jī)方艙安裝了兩個(gè)空調(diào)設(shè)備，以便于對(duì)雷達(dá)發(fā)射組件進(jìn)行降溫，把發(fā)射組件的工作控制在理想的工作環(huán)境下。

2.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)搭建完成后，監(jiān)控測控板定時(shí)采集發(fā)射機(jī)組件各測溫點(diǎn)的溫度值，單片機(jī)將溫度數(shù)據(jù)按照串口通訊協(xié)議進(jìn)行打包，上傳給監(jiān)控計(jì)算機(jī);監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理、分析，將處理后的各測溫部位的溫度值顯示在監(jiān)控界面上，同時(shí)與各部位的溫度值相比較，當(dāng)連續(xù)3次都超過設(shè)定的閾值，則報(bào)警;之后通過界面上的空調(diào)溫度設(shè)置按鈕對(duì)各部位的空調(diào)設(shè)備進(jìn)行溫度控制，以達(dá)到監(jiān)測和控制雷達(dá)發(fā)射機(jī)組件溫度的目的。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 PIC18F87K90簡介

P I C 1 8 F 8 7 K 9 0單片機(jī)是一款低功耗工作的單片機(jī)，其最高工作頻率可以達(dá)到64MHz,內(nèi)部含有豐富的Flash ROM、SRAM、E2PROM存儲(chǔ)資源，同時(shí)含有串口、定時(shí)器等外設(shè)資源，該芯片經(jīng)過適當(dāng)外圍電路擴(kuò)展，可以滿足本溫度測控系統(tǒng)的要求。如圖1:

3.2 DS18B20簡介

DS18B20芯片是DALLAS公司生產(chǎn)的一款數(shù)字式測溫傳感器，廣泛應(yīng)用于各種測溫系統(tǒng)中，其分辨率可以從9-12位選擇，最高精度為±0.0625℃，測溫范圍為-55-125℃，可以采用外部供電/寄生供電，每片DS18B20有獨(dú)一無二的序列號(hào)。同時(shí)該芯片支持單總線操作技術(shù)，使得本系統(tǒng)的線路簡單、硬件開銷小、簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度，便于總線的擴(kuò)展和維護(hù)。

3.3 硬件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的硬件模塊包括單總線多點(diǎn)溫度采集模塊、單片機(jī)控制解析模塊以及紅外線遙控模塊，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。具體功能描述如下：

(1)單總線多點(diǎn)溫度采集模塊

測溫電纜通過單總線接口接入監(jiān)控測控板，再通過I/0口將溫度數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。單片機(jī)中的溫度采集模塊按照設(shè)定的溫度采樣間隔定時(shí)從單總線上采集各測溫點(diǎn)的溫度值，按協(xié)議方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，再通過RS485總線上傳給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

(2)單片機(jī)控制解析模塊

單片機(jī)接收到來自監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制命令后，按照RS485通信協(xié)議進(jìn)行解析，將解析出的控制命令按照紅外數(shù)據(jù)通信協(xié)議，打包成相應(yīng)的控制命令，發(fā)給編碼和調(diào)制模塊。

(3)紅外線遙控模塊

此模塊由編碼及調(diào)制電路和紅外發(fā)光二極管組成。單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，經(jīng)編碼后，再將該編碼信號(hào)調(diào)制為38KHz的方波，然后將已調(diào)波放大，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管，得到紅外遙控脈沖序列信號(hào)。

4.系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控平臺(tái)是用戶操作的最終界面體現(xiàn)。操作人員通過監(jiān)控平臺(tái)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并利用監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出各種控制指令。監(jiān)控平臺(tái)采用客戶/服務(wù)器(B/S)方式開發(fā)，與雷達(dá)監(jiān)控的其他功能集成在一個(gè)界面上。

4.1 系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)主要功能

監(jiān)控平臺(tái)的主要功能有實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示功能、統(tǒng)計(jì)分析功能、溫度報(bào)警功能、空調(diào)溫度設(shè)置功能、采樣間隔設(shè)置功能、溫度閾值設(shè)置功能和檢測設(shè)備管理功能等。

具體功能描述如下：

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示功能

在監(jiān)控界面上，實(shí)時(shí)顯示處理的各測溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。

(2)統(tǒng)計(jì)分析功能

將采集上來的溫度數(shù)據(jù)，按照一定的方法分析、處理后，將溫度值與設(shè)置的閾值比較，統(tǒng)計(jì)連續(xù)超出閾值的次數(shù)，作為判斷是否報(bào)警的依據(jù)。

(3)溫度報(bào)警功能

當(dāng)連續(xù)超出閾值次數(shù)超過3次時(shí)，在監(jiān)控界面上進(jìn)行報(bào)警提示。

(4)空調(diào)溫度設(shè)置功能

操作員根據(jù)報(bào)警提示或個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，在界面上進(jìn)行空調(diào)溫度設(shè)置，達(dá)到控制空調(diào)的目的。

(5)采樣間隔設(shè)定功能

在界面上進(jìn)行采樣間隔設(shè)置，來控制單片機(jī)的采樣頻率。

(6)溫度閾值設(shè)置功能

根據(jù)發(fā)射機(jī)組件各溫度部位的特點(diǎn)，對(duì)各測溫部位分別進(jìn)行溫度閾值設(shè)置。

(7)檢測設(shè)備管理功能

主要針對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行檢測，如溫度傳感器，監(jiān)控測控板，如發(fā)生故障，在監(jiān)控界面上進(jìn)行設(shè)備故障報(bào)警。

4.2 串口通信協(xié)議

串口通信用于單片機(jī)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信。協(xié)議格式為：

協(xié)議字頭標(biāo)志為0x5a5a5a5a,占用4個(gè)字節(jié);控制符占1個(gè)字節(jié);數(shù)據(jù)長度用來記錄數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，占2個(gè)字節(jié);數(shù)據(jù)段是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容;CRC校驗(yàn)用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，占2個(gè)字節(jié);結(jié)束符表示命令結(jié)束，定義為0x16e916e9,占4個(gè)字節(jié)。

4.3 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

圖3是雷達(dá)監(jiān)控平臺(tái)的主界面，該主界面的右下角為雷達(dá)發(fā)射機(jī)測控系統(tǒng)的監(jiān)控界面，其它部分為雷達(dá)另外一些監(jiān)控功能的界面。通過該界面可以看到雷達(dá)發(fā)射組件各測溫點(diǎn)的溫度值。若溫度超過設(shè)置的閾值會(huì)有報(bào)警提示，從而在界面上對(duì)該部位的空調(diào)溫度進(jìn)行重新設(shè)置。

4.4 測試結(jié)果對(duì)比、分析

當(dāng)測溫結(jié)果連續(xù)3 次超過設(shè)定的閾值時(shí)，在界面上進(jìn)行報(bào)警提示，如圖4所示，此時(shí)對(duì)空調(diào)進(jìn)行降溫控制，一段時(shí)間后，溫度降到閾值范圍內(nèi)，報(bào)警提示消除如圖5所示。

圖4和圖5對(duì)降溫前后的溫度結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，表明通過界面可以直觀監(jiān)控發(fā)射機(jī)組件各測溫點(diǎn)的溫度，同時(shí)可從界面上方便的控制各測溫點(diǎn)空調(diào)的溫度，起到有針對(duì)性的為發(fā)射機(jī)組件降溫的目的。

5.結(jié)束語

本文將單片機(jī)與溫度傳感器組成的測溫系統(tǒng)應(yīng)用到雷達(dá)發(fā)射機(jī)組件的溫度控制中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)組件各部位溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。監(jiān)控平臺(tái)軟件采用了模塊化、對(duì)象化和分布計(jì)算的設(shè)計(jì)方法，便于組裝、擴(kuò)展，具有很高的靈活性。雷達(dá)發(fā)射機(jī)測控系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)監(jiān)控方式的非實(shí)時(shí)性、人工現(xiàn)場操作、控制不靈活等缺點(diǎn)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射機(jī)組件的溫度異常，方便設(shè)置空調(diào)溫度，達(dá)到快速、有效的降低發(fā)射機(jī)溫度的目的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過兩個(gè)月的試用，運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。