CPLD在雷達(dá)發(fā)射機(jī)控制檢測(cè)單元中的應(yīng)用

李 郁，鄭士德

（西安電子工程研究所，陜西 西安 710100）

以往的雷達(dá)發(fā)射機(jī)控制檢測(cè)電路一直使用單片機(jī)完成信息處理和信息的串口傳輸[1]。單片機(jī)雖然具有強(qiáng)大的信息處理、邏輯分析、決策判斷能力，但單片機(jī)存在不可克服的缺點(diǎn)和弱點(diǎn)：低速——單片機(jī)靠執(zhí)行指令來完成各種功能，不論多高的工作時(shí)鐘頻率或多好的指令時(shí)序，其排隊(duì)式串行指令執(zhí)行方式使工作速度和效率大打折扣，在高速實(shí)時(shí)仿真、高速數(shù)據(jù)采集等方面顯得力不從心；復(fù)位工作方式——單片機(jī)工作之初，需花一段時(shí)間經(jīng)歷復(fù)位過程。工作時(shí)，在某種干擾性突變情況下，也會(huì)復(fù)位，復(fù)雜的復(fù)位過程很可能就是工作不可靠的根源；程序跑飛——偶然因素，會(huì)引起程序跑飛，雖然有“看門狗”或其他抗干擾措施，但在極復(fù)雜情況下，單片機(jī)的程序仍存在跑飛的可能，從而進(jìn)入“死機(jī)”狀態(tài)，影響發(fā)射機(jī)的可靠性。另外，在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)的芯片通過印制板與系統(tǒng)中由其他集成電路組成的邏輯電路相連，一旦改變?cè)O(shè)計(jì)，可能重新制版，延長(zhǎng)開發(fā)周期。

隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展，集成電路規(guī)模越來越大，產(chǎn)生了復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA，同以往的PAL和GAL器件相比，這些器件含有數(shù)量眾多的可編程邏輯宏單元或邏輯塊，規(guī)模大，組合能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)成功能各異的邏輯電路，適合于時(shí)序、組合等邏輯電路[2]。CPLD器件輸入引腳的箝位電平和輸出引腳的原始電平可預(yù)先設(shè)定，一開機(jī)立即就能達(dá)到預(yù)定電平，狀態(tài)明確。各邏輯宏單元或邏輯塊的輸入信號(hào)僅需幾納秒至幾十納秒就反映到輸出端，信號(hào)傳輸效率很高，適合高速采樣等場(chǎng)合?？删幊踢壿嫼陠卧蜻壿媺K之間的相互連線在同一封裝內(nèi)，受外界干擾影響小，電磁兼容（EMC）性能好[3]。然而，對(duì)設(shè)計(jì)者來說，CPLD器件最大的優(yōu)點(diǎn)在于可現(xiàn)場(chǎng)編程。改變邏輯關(guān)系時(shí)，無需更改外部線路板，只需用圖形語言程序或硬件描述語言程序來改變電路，生成下載編輯軟件，通過下載電纜輸入CPLD器件即可，非常方便，特別有利于新品試制，可以大大縮短開發(fā)周期[4]。

1 發(fā)射機(jī)控制檢測(cè)要求實(shí)現(xiàn)的功能

1.1 檢測(cè)部分

1）過壓保護(hù)

對(duì)于行波管來說，它的陰極和收集極電壓都很高，現(xiàn)在大多采用開關(guān)電源，電壓很快就升到行波管要求的陰極和收集極電壓。如果反饋環(huán)路失控，將使行波管因?yàn)檫^壓而燒毀。所以，必須檢測(cè)行波管陰極和收集極電壓，一旦出現(xiàn)過壓立刻將高壓切斷，達(dá)到保護(hù)的目的[5]。

2）管體電流過流故障

微波功率管的管體電流通過管子的高頻結(jié)構(gòu)，過大的管體電流將燒壞管子的高頻結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致管子的損壞。因此，需要發(fā)射機(jī)控檢電路對(duì)管體電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，確保當(dāng)管體電流超過安全門限時(shí)及時(shí)關(guān)機(jī)。

3）溫度保護(hù)

發(fā)射機(jī)由于輸出功率大，使得其本身的功耗較大。另外，一些功率器件也比較熱，雖然有風(fēng)冷系統(tǒng)或水冷系統(tǒng)，但為了安全需要在關(guān)鍵件上如高壓電源上另加溫度保護(hù)電路，一旦超過所設(shè)定的溫度門限，立即切斷高壓，使該器件不致因溫度過高而損壞。

4）燈絲電源故障

當(dāng)燈絲電源發(fā)生故障時(shí)，使微波功率管陰極不能充分預(yù)熱，導(dǎo)致加調(diào)制脈沖工作時(shí)微波功率管不能充分放大微波信號(hào)，甚至引起管內(nèi)打火。一般燈絲電源都浮在高壓上（以高壓輸出端作為燈絲電源的地），所以燈絲電源采樣電路通過光纜把檢測(cè)結(jié)果傳到低壓端的控制保護(hù)電路部分，對(duì)燈絲電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，使得燈絲電源出故障時(shí)及時(shí)關(guān)機(jī)保護(hù)。

5）柵極偏壓故障

當(dāng)作為控制柵控行波管工作的柵極偏壓發(fā)生故障時(shí)，造成管子以連續(xù)波工作，過大的收集極電流會(huì)燒壞收集極，而過大的管體電流會(huì)燒壞管子的高頻結(jié)構(gòu)。柵極偏壓電源浮在高壓上，檢測(cè)電路將檢測(cè)結(jié)果通過光纜傳送到故障處理電路，對(duì)柵極偏壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，保證在柵極偏壓出故障時(shí)，及時(shí)關(guān)機(jī)保護(hù)。

6）脈沖通道故障

對(duì)于未采用穩(wěn)壓高壓電源的磁控管或陰控行波管發(fā)射機(jī)，脈沖通道故障主要指由于脈沖通道故障導(dǎo)致調(diào)制器不能工作時(shí)，引起高壓電源空載，產(chǎn)生高壓擊穿現(xiàn)象。對(duì)于柵控行波管發(fā)射機(jī)來說，脈沖通道故障會(huì)導(dǎo)致調(diào)制器不能輸出調(diào)制脈沖，使發(fā)射機(jī)沒有微波功率輸出。對(duì)于脈沖通道故障來說，對(duì)通道中脈沖信號(hào)是否正常進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，保證沒有信號(hào)時(shí)加不上高壓。

7）鈦泵過流故障

為了保證微波功率管內(nèi)的高真空度，一般管內(nèi)都有一個(gè)冷陰極的鈦泵，用于吸收管內(nèi)氣體。鈦泵電流的大小正比于管內(nèi)的氣體濃度，可以通過檢測(cè)鈦泵電流的大小，判斷管內(nèi)的真空度，所以對(duì)鈦泵電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)鈦泵電流超過安全門限時(shí)，及時(shí)關(guān)閉高壓供電，直至鈦泵電流回到正常范圍內(nèi)，才允許開機(jī)工作。

8）風(fēng)壓故障

作為放大微波信號(hào)的微波功率管都有一定的效率，相當(dāng)一部分供電轉(zhuǎn)化為了熱能。為了使發(fā)射機(jī)正常工作，必須有效而迅速地將熱量散掉，作為散熱措施常采用風(fēng)機(jī)。為了保證發(fā)射機(jī)工作時(shí)散熱正常，常對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，保證當(dāng)風(fēng)壓不足或風(fēng)機(jī)不工作時(shí)及時(shí)進(jìn)行關(guān)機(jī)，確保發(fā)射機(jī)安全[6]。

1.2 控制部分

1）開關(guān)機(jī)順序

開機(jī)時(shí)燈絲要有足夠的預(yù)熱時(shí)間，一般預(yù)熱時(shí)間需要3～5 min。只有在燈絲電壓達(dá)到一定的幅度，預(yù)熱達(dá)到要求時(shí)間，以及沒有任何故障的情況下，才允許加高壓。待高壓加到一定的幅度才允許加觸發(fā)脈沖。關(guān)機(jī)時(shí)，應(yīng)先切斷高壓，后切斷低壓，而且低壓切斷后，要求風(fēng)冷延時(shí)斷電，使行波管的風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作1～3 min，再切斷電源。所以，控制保護(hù)電路中要具有預(yù)熱延時(shí)和風(fēng)冷延時(shí)功能[7]。

2）故障處理

在高壓加上后，如果出現(xiàn)任何故障，應(yīng)該立即切斷高壓，以免造成行波管或高壓電源損壞。在調(diào)制加上后，如果出現(xiàn)任何故障，應(yīng)該立即關(guān)調(diào)制，切斷高壓，進(jìn)行故障處理。

3）顯示

發(fā)射機(jī)在正常工作時(shí)應(yīng)有顯示，在故障發(fā)生時(shí)也應(yīng)該有顯示。在正常工作時(shí)，加上燈絲，燈絲燈亮，延時(shí)燈閃爍。預(yù)熱時(shí)間達(dá)到后，如果沒有任何故障，加上高壓，高壓燈亮。加上調(diào)制，調(diào)制燈亮。發(fā)生故障時(shí)，無論是何種故障，該故障對(duì)應(yīng)的顯示燈都應(yīng)亮。

4）上報(bào)

在正常工作時(shí)，將發(fā)射機(jī)所處狀態(tài)上報(bào)給中心機(jī)，發(fā)生故障時(shí)，將發(fā)射機(jī)的故障及發(fā)射機(jī)的狀態(tài)的改變上報(bào)給中心機(jī)。

流程圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射機(jī)工作流程圖Fig.1 Flow chart of the transmitter

2CPLD實(shí)現(xiàn)功能

2.1 設(shè)計(jì)流程

1）根據(jù)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)輸入，并進(jìn)行前仿真，驗(yàn)證電路功能的有效性；

2）設(shè)計(jì)輸入之后就有一個(gè)從高層次系統(tǒng)行為向門級(jí)邏輯電路的轉(zhuǎn)化翻譯過程，即設(shè)計(jì)輸入的編譯；

3）緊接著為了減小電路規(guī)模需要進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入的優(yōu)化；

4）最后就可以布局布線，后仿真得到更精確的參數(shù)，完成設(shè)計(jì)[8]。

2.2 使用MAX＋PLUSⅡ軟件開發(fā)

對(duì)于CPLD設(shè)計(jì)來說，成功的關(guān)鍵取決于EDA開發(fā)軟件。Altera公司軟件開發(fā)工具M(jìn)AX＋PLUSⅡ具有很多優(yōu)點(diǎn)：廣泛支持各種硬件描述語言，易于上手；該軟件包含一般可編程器件開發(fā)所需要的功能，而且這些功能都集成在Windows圖形界面下，易于糾錯(cuò)；接口開放，支持其他EDA工具[9]。

2.3 控制部分設(shè)計(jì)

用CPLD對(duì)上述的控制功能進(jìn)行綜合處理，主要過程是：控制命令產(chǎn)生部分根據(jù)信號(hào)處理機(jī)通過串行鏈發(fā)來的控制命令產(chǎn)生控制命令，然后對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制，并對(duì)相關(guān)命令根據(jù)時(shí)序和故障情況進(jìn)行邏輯鏈鎖，達(dá)到最終控制發(fā)射機(jī)的目的。

圖2 控制命令圖Fig.2 Control command figure

2.4 上報(bào)部分設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)對(duì)發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)和故障狀態(tài)進(jìn)行綜合處理，并按事先約定的格式形成狀態(tài)上報(bào)數(shù)據(jù)，通過串行鏈報(bào)告給信號(hào)處理。這一部分電路的邏輯功能并不復(fù)雜，但是各部分電路的相互連接較多，如果在設(shè)計(jì)中采用CPLD器件，將相互連線集成到了器件內(nèi)部，將會(huì)大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)[10]。其實(shí)現(xiàn)框圖如圖3。

圖3 信息上報(bào)圖Fig.3 Information reported figure

2.5 串行鏈的實(shí)現(xiàn)及控制

單片機(jī)通過可位操作的并行輸出口的相關(guān)位控制由CPLD實(shí)現(xiàn)的串行鏈的數(shù)據(jù)的發(fā)送，從而通過高速串行鏈完成對(duì)收發(fā)系統(tǒng)的控制，并讀取高速串行鏈所接收到的發(fā)射機(jī)的狀態(tài)，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 串行鏈實(shí)現(xiàn)圖Fig.4 Serial chain realize figure

3 結(jié)束語

筆者以框圖的形式比較直觀地表述了CPLD器件應(yīng)用于發(fā)射機(jī)控制檢測(cè)電路中的具體實(shí)施辦法。CPLD器件的物理機(jī)制像74系列、CD4000系列集成電路那樣，純屬硬件電路，十分可靠。繁雜的開發(fā)工作是依賴功能強(qiáng)大的EDA軟件實(shí)現(xiàn)的，入門門檻較低，易于上手，目前正被越來越多的設(shè)計(jì)者青睞，普及推廣前景廣闊。隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，要求發(fā)射機(jī)向小型化、高可靠性、高性能的方向發(fā)展，CPLD器件的應(yīng)用正適應(yīng)了這種需求，將會(huì)越來越多的得到應(yīng)用。

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