嵌入式雷達發(fā)射機故障監(jiān)測系統(tǒng)的研制

摘要：某型早期雷達的發(fā)射機只采用兩個指針式電表作為監(jiān)測設(shè)備，缺乏完善的機內(nèi)測試系統(tǒng)，為了更有效地監(jiān)測發(fā)射機的工作狀態(tài)，采用了加裝嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)的方法。利用成熟的單片機及數(shù)據(jù)采集技術(shù)，設(shè)計了用于雷達發(fā)射機的多點調(diào)理電路和隔離電路，研制成嵌入式的故障監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在發(fā)射機上加裝調(diào)試后經(jīng)長期使用，檢驗了其使用效果良好，可靠性高，具有推廣使用價值。
關(guān)鍵詞：嵌入式；雷達；發(fā)射機；故障監(jiān)測；單片機；數(shù)據(jù)采集

    新一代雷達裝備都設(shè)計有比較完善的機內(nèi)測試(BIT)系統(tǒng)，它能對雷達的各功能模塊進行實時監(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)維修人員進行換件維修。完善的雷達BIT系統(tǒng)顯著提高了雷達的維修保障性，使雷達出現(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，只有簡單的幾個電表在線監(jiān)測發(fā)射機的關(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，故障率更高，裝備完好率迅速降低。
    利用成熟的單片機技術(shù)及數(shù)據(jù)采集技術(shù)研制成嵌入式系統(tǒng)，監(jiān)測這些雷達發(fā)射機中的所有關(guān)鍵器件，當發(fā)現(xiàn)某器件有故障預(yù)兆時發(fā)出報警并進行故障隔離，可大大裝備完好率。

1 雷達發(fā)射機內(nèi)監(jiān)測點和隔離點的梳理
    早期雷達發(fā)射機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)射機內(nèi)電路和元件的充分分析，結(jié)合修理發(fā)射機的先驗經(jīng)驗，梳理出發(fā)射機內(nèi)部需要監(jiān)測的各點及其監(jiān)測參數(shù)、數(shù)量等指標如表1所示。

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

2 單片機選型及其資源分配
    單片機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系統(tǒng)。
    單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(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)字電路更加強大。
    單片機有很多系列，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)使用習慣及資源要求選用STC12C5628AD。[!--empirenews.page--]
    新一代宏晶芯片STC12C5628AD具有高速、低功耗、超強抗干擾的特點。指令代碼和管腳直接兼容傳統(tǒng)89C52。可選用的資源有：
    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)測點和隔離點，分配單片機資源如表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)理電路后進行數(shù)據(jù)采集并在程序中與標稱值比較，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，供計算機下載后進行分析；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，液晶屏則顯示運行信息或故障代碼。
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3 監(jiān)測點接口電路設(shè)計
    嵌入式系統(tǒng)中單片機系統(tǒng)已為成熟技術(shù)，解決單片機監(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、冷端補償幾個方面。根據(jù)表1和表2知：監(jiān)測點主要有電壓、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)測點的接口電路舉例說明。
3．1 直流高電監(jiān)測點的調(diào)理電路
    為使監(jiān)測信號進入模數(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)射機內(nèi)的各種脈沖干擾。運放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)測點的調(diào)理電路
    1)微波功率測量
    發(fā)射機內(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。因為測量精度要求很低，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，其電平與單片機電平一致，可直接相連。實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。一般是對該電壓進行高速采集計算出頻率，這樣會嚴重浪費單片機的資源，加重運算負擔，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兩個窄脈沖，其中負向窄脈沖被二極管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。

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4 程序設(shè)計舉例
    所有監(jiān)測點及隔離點都由單片機控制。對于測量脈寬、周期和頻率的定時器和計數(shù)器，以及判斷電壓的4個中斷，都是通用程序，不做介紹。主要說明6個A／D通道的設(shè)計思想。
    6個A／D通道用通道數(shù)n控制，由通道1到通道6遍歷采集分析，如有故障需要隔離的話，則記錄此信息、發(fā)出聲音報警并啟動相應(yīng)的隔離端口；若無故障的話則循環(huán)檢測。
    通道n的采集判決思想是：連續(xù)啟動A／D3次，分別記錄采集的數(shù)據(jù)xn、yn、zn，取該3個數(shù)的中間數(shù)記為rn，作為一次有效采集值。調(diào)試程序時已經(jīng)賦予了an、bn、cn、dn為參考值，其中an為故障上限，bn為允許上限，cn為允許下限，dn為故障下限。若rn>an或rn<dn，則判為故障，需要隔離；若rn在[an，bn]、[cn，dn]區(qū)間內(nèi)，則判為隱患，記錄rn及當前時間值，設(shè)備仍可繼續(xù)運行；若rn在[bn，cn]區(qū)間內(nèi)，則判為正常，設(shè)備繼續(xù)運行。測量值分類如圖4所示，程序流程圖如圖5所示。

    時鐘芯片主要是給系統(tǒng)提供標準時間基準，對存儲到Flash中的數(shù)據(jù)添加時間項，即對故障信息和隱患數(shù)據(jù)添加時間戳，便于以后下載到計算機后做進一步深入分析。

5 安裝調(diào)試注意事項
    安裝嵌入式系統(tǒng)時不能破壞發(fā)射機的結(jié)構(gòu)，包括器件之間的相對位置都不允許移動。嵌入式系統(tǒng)自身要有屏蔽措施，安裝要牢固。
    安裝接口電路時，一定注意空間位置，既要與被監(jiān)測元件盡量靠近以防止產(chǎn)生分布參數(shù)影響發(fā)射機性能，還要防止接口電路與被監(jiān)測元件之間的短路和分布參數(shù)的問題，每一個接口電路都要反復(fù)論證、調(diào)試。
    接口電路與單片機之間的連接使用同軸電纜，以防止發(fā)射機內(nèi)的高頻脈沖干擾采集數(shù)據(jù)。同軸電纜的走線既要盡量短，還要保證與發(fā)射機內(nèi)原有的電纜束并排固定好，嚴禁使用飛線。
    轉(zhuǎn)換開關(guān)分別使相應(yīng)I／O口接地，可在冷態(tài)時用萬用表檢測其可靠性。
    首次程序調(diào)試時，不可接隔離繼電器。然后通過調(diào)節(jié)輸入的三相電壓值來標定參考值an、bn、cn、dn。標定好以后接入隔離繼電器繼續(xù)調(diào)試。
    觸發(fā)脈沖的隔離繼電器簡單串入即可，需要注意的是繼電器的選型，要選用觸點接觸電阻小的繼電器。三相電的隔離繼電器采用交流接觸器，同時控制三路。特別注意該交流接觸器接成自保形式，繼電器需接入其自保支路。

6 結(jié)束語
    該嵌入式系統(tǒng)的研制，大部分都是應(yīng)用的成熟技術(shù)，總體價格低廉，但其作用很大，可以很好地監(jiān)測發(fā)射機的工作狀態(tài)，利用其記錄的隱患數(shù)據(jù)還可以對發(fā)射機做進一步的診斷，以便進行正常的維護保養(yǎng)和性能調(diào)整。該嵌入式系統(tǒng)在實驗室的發(fā)射機上調(diào)試好以后，經(jīng)連續(xù)運行，使用效果良好，具有較高的推廣使用價值。