ARPA導(dǎo)航雷達(dá)控制系統(tǒng)電壓監(jiān)視功能設(shè)計(jì)

李明理，楊釧釧

(1.中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì) 92分隊(duì)，河北秦皇島 066000;2.海華電子企業(yè)(中國(guó))有限公司，廣東廣州 510600)

ARPA導(dǎo)航雷達(dá)［1］包括天線、收發(fā)單元、控制系統(tǒng)、顯示器和鍵盤(pán)等，控制系統(tǒng)則是整個(gè)導(dǎo)航雷達(dá)的核心?？刂葡到y(tǒng)功能的完整性和工作的可靠性，直接影響到整個(gè)導(dǎo)航雷達(dá)功能的實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)中各模塊具有穩(wěn)定的電壓則是其正常工作的必要條件。A/D轉(zhuǎn)換器TLC0838芯片引腳少、封裝小，在PCB板上占用的空間較小;但輸出的信號(hào)格式為串行數(shù)據(jù)，需通過(guò)軟件處理才能得到采樣數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)分析

基于FPGA的ARPA導(dǎo)航雷達(dá)控制系統(tǒng)電路如圖1所示，電路由控制板和處理板兩部分組成，控制板FPGA［2］選用 Altera公司的 Cyclone III系列芯片。

圖1中各模塊的工作內(nèi)容與連接關(guān)系如下:(1)天線接口負(fù)責(zé)發(fā)送雷達(dá)信號(hào)，并接收雷達(dá)回波信號(hào)。(2)接收到的雷達(dá)視頻信號(hào)經(jīng)模擬電路處理完成雨雪抑制功能，并輸出到處理板。(3)接收到的雷達(dá)控制信號(hào)經(jīng)FPGA解碼，獲得AZ(方位信號(hào))、HL(船首信號(hào))、TR(觸發(fā)脈沖)，并輸出到處理板。(4)用戶(hù)I/O為8路串口輸入/輸出。(5)電源為系統(tǒng)提供電源，F(xiàn)PGA控制TLC0838模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)電源電壓采樣，實(shí)現(xiàn)電壓監(jiān)視。(6)FPGA控制以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)I/O、監(jiān)視報(bào)文與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 ARPA導(dǎo)航雷達(dá)控制系統(tǒng)電路框圖

控制板實(shí)現(xiàn)對(duì)天線下行數(shù)據(jù)解碼、雜波處理、向天線發(fā)送數(shù)據(jù)、8路串口收發(fā)數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)及異常報(bào)警等功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

外部輸入至控制板+12 V電源，通過(guò)各型號(hào)電源穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生－12 V、－5 V、+5 V、3.3 V等電壓。由于系統(tǒng)可能在各種惡劣環(huán)境下工作，也可能存在許多不確定因素，導(dǎo)致各電壓值有較大浮動(dòng)。因此，需要對(duì)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。系統(tǒng)選用多路A/D芯片TLC0838循環(huán)采集－5 V、－12 V、+5 V、+12 V及+3.3 V。

2.1 TLC0838簡(jiǎn)介

TLC0838［3］是 Texas Instruments 公司生產(chǎn)的 8 位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器，具有輸入可配置的多通道多路器和串行輸入、輸出模式。模擬輸入可配置為單端、差分或偽差分輸入。該芯片種類(lèi)有商業(yè)級(jí)別，工作環(huán)境為0～70℃;工業(yè)級(jí)別，工作環(huán)境為－40～+85℃，最高可達(dá)－40～+125.5℃。設(shè)計(jì)選用TL0838I，可以滿足實(shí)際需要，其工作特性如下:bit分辨率;串行數(shù)據(jù)連接，支持SPI傳輸協(xié)議;參考電壓為5 V;輸入模擬電壓范圍為0～5 V;8通道多路轉(zhuǎn)換器;輸入輸出兼容TTL、MOS電平;時(shí)鐘為250 kHz時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間為32μs。

TLC0838引腳排列如圖2所示，其中Ch0～Ch7為模擬輸入端;/CS為片選端;DI為串行數(shù)據(jù)輸入;DO為采樣數(shù)據(jù)的串行輸出端;CLK為工作時(shí)鐘;SARS為轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端，該引腳為高電平時(shí)表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，為低電平則表示轉(zhuǎn)換完成;REF為參考電壓輸入端;/SE為數(shù)據(jù)保持/輸出端，該引腳為高電平時(shí)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)線上，低電平則輸出數(shù)據(jù)［4］。

圖2 TLC0838引腳排列

2.2 硬件電路連接

TLC0838輸入電壓限制為0～5 V，因此需用模擬電路將－5 V、－12 V、+5 V及+12 V轉(zhuǎn)換到0～5 V電壓范圍內(nèi)，圖3所示為－5 V電壓到－5 V_TEST電壓值的模擬轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后－5 V_TEST的值為3.68 V。

圖3 －5 V電壓模擬轉(zhuǎn)換電路

模擬電壓經(jīng)單端通道0～4輸入TLC0838進(jìn)行采樣、量化和編碼，并與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采樣電路與FPGA通過(guò)SPI通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。具體連接電路如圖4所示。TLC0838各通道的穩(wěn)定輸入電壓分別為通道0:3.94 V，通道1:3.68 V，通道2:2.50 V，通道3:2.10 V，通道4:3.3 V。FPGA通過(guò)SPI模式對(duì)TLC0838進(jìn)行寄存器配置和獲取采樣數(shù)據(jù)，采樣時(shí)鐘設(shè)置為200 kHz。

圖4 TLC0838電路連接圖

3 邏輯設(shè)計(jì)

基于Quartus II軟件，用Verilog硬件描述語(yǔ)言［5］設(shè)計(jì)的電壓監(jiān)視邏輯包含TLC0838控制邏輯模塊和電壓監(jiān)測(cè)與異常報(bào)警兩個(gè)基本模塊。

3.1 TLC0838控制邏輯模塊

雷達(dá)系統(tǒng)要求每秒鐘發(fā)送一次電壓監(jiān)視信息，且由于要對(duì)采集到的電壓值進(jìn)行平滑處理。因此，設(shè)置TLC0838芯片每0.1 s循環(huán)采樣一次所有有效通道。利用FPGA對(duì)TLC0838的控制邏輯設(shè)計(jì)頂層圖如圖5所示，其內(nèi)部包含各通道寄存器地址設(shè)置與SPI模式數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 TLC0838控制模塊頂層圖

TLC0838有8個(gè)單端輸入通道，本文只用其中5個(gè)，分別為ch0～ch4，其寄存器地址設(shè)置如表1所示。

表1 TLC0838寄存器各通道地址

用SPI傳輸模式進(jìn)行采樣芯片與FPGA之間控制信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸，單個(gè)通道的一次數(shù)據(jù)采集控制過(guò)程為:(1)設(shè)置輸入時(shí)鐘為200 kHz。(2)拉低片選信號(hào)/CS。向輸入引腳DI輸入一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平。(3)繼續(xù)通過(guò)輸入引腳DI設(shè)置芯片的控制寄存器。(4)控制寄存器設(shè)置完成后，等待兩個(gè)時(shí)鐘周期。輸出引腳DO開(kāi)始以MSB模式輸出采樣數(shù)據(jù)(5)輸出8 bit數(shù)據(jù)后，/CS置高，一個(gè)通道數(shù)據(jù)采樣完成。

系統(tǒng)要求循環(huán)采樣5個(gè)通道，即每0.1 s循環(huán)采樣一次所有有效通道，因此每0.02 s轉(zhuǎn)換一次采樣通道，循環(huán)采樣流程圖如圖6所示。

圖6 循環(huán)采樣流程圖

3.2 電壓檢測(cè)與異常報(bào)警模塊

電壓檢測(cè)模塊頂層圖如圖7所示，該模塊包括數(shù)據(jù)平滑和檢測(cè)報(bào)警兩部分。通過(guò)對(duì)每通道采集到的10個(gè)采樣值求平均，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平滑;檢測(cè)報(bào)警是對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和打包發(fā)送過(guò)程，若檢測(cè)到電壓異常則輸出報(bào)警信息。

圖7 電壓檢測(cè)模塊頂層圖

電壓檢測(cè)模塊處理過(guò)程如下:(1)設(shè)定電壓范圍:基準(zhǔn)電壓0.2 V。(2)每個(gè)通道分別采樣10次，并分別對(duì)采樣值進(jìn)行平滑。(3)判斷各通道的采樣值是否在電壓范圍內(nèi)，是則對(duì)應(yīng)1;否則對(duì)應(yīng) 0。(4)產(chǎn)生報(bào)警報(bào)文，每1 s向上位機(jī)發(fā)送一次報(bào)警監(jiān)視信息。

本文將AZ、HL、TR信號(hào)與檢測(cè)的電壓值一起打包為報(bào)文，報(bào)文形式為:$PHT10，AAAAAAAA*，校驗(yàn)碼0d0a，其中高3位分別為AZ、HL、TR監(jiān)視信號(hào)，低5位則為電壓監(jiān)視信號(hào)，監(jiān)視信號(hào)為高時(shí)輸出A，否則輸出V;隨后為校驗(yàn)碼，校驗(yàn)碼為ASCII碼報(bào)文數(shù)據(jù)的異或值;最后為回車(chē)換行符。

4 結(jié)束語(yǔ)

ARPA雷達(dá)系統(tǒng)與上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，即通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)電壓監(jiān)視單元進(jìn)行測(cè)試。圖8所示為T(mén)CP＆UDP測(cè)試軟件接收到的電壓監(jiān)視報(bào)文。

圖8 TCP＆UDP測(cè)試軟件接收電壓監(jiān)視報(bào)文圖

圖8中接收到的數(shù)據(jù)為$PHT10，AAAAAAAA*a，說(shuō)明當(dāng)前雷達(dá) AZ、HL、TR信號(hào)及電壓均保持正常。本文研究了ARPA導(dǎo)航雷達(dá)的控制系統(tǒng)，在分析控制板結(jié)構(gòu)、功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并成功調(diào)試了控制板的電壓采集芯片驅(qū)動(dòng)邏輯，對(duì)ARPA導(dǎo)航雷達(dá)穩(wěn)定、可靠的工作提供了保障。

［1］丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

［2］徐光輝，程?hào)|旭，黃如，等.基于FPGA的嵌入式開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［3］Texas Instruments Inc.TLC0838 datasheet［M］.Tex USA:Texas Instruments Inc，1997.

［4］常軍，徐天賜.A/D轉(zhuǎn)換器TLC0838在高速公路緊急電話系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)，2007(2):29－31.

［5］華清遠(yuǎn)見(jiàn)嵌入式培訓(xùn)中心.FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)入門(mén)與典型實(shí)例［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［6］孫浩.基于ARM和FPGA的嵌入式高速圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)［J］.電子科技，2009，22(2):5 －7.

［7］黃翔，宋銳，吳成柯，等.基于FPGA的嵌入式視頻編碼系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電子科技，2009，22(7):59 －61，65.