單片機(jī)與CPLD在雷達(dá)故障檢測中的應(yīng)用

王佳鑫

摘 要：隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展以及雷達(dá)設(shè)備在軍用民用領(lǐng)域的普及應(yīng)用，對于雷達(dá)的維修也越來越受到重視。針對雷達(dá)這種高度復(fù)雜的電子設(shè)備的特性，以某型雷達(dá)信號處理分機(jī)為應(yīng)用對象，本文結(jié)合CPLD與單片機(jī)設(shè)計了一個檢測雷達(dá)故障的系統(tǒng)，可檢測各功能模塊以及通信狀態(tài)燈故障。經(jīng)測試實驗表明，該設(shè)計功能完善，通用性好，具有良好的可拓展性。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；CPLD；故障檢測

中圖分類號： TN958.92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）17-146-2

0 引言

故障檢測是指檢測判斷被測電路是否故障，并判斷故障發(fā)生的位置。雷達(dá)是一種高度復(fù)雜的電子設(shè)備，故障檢測的復(fù)雜程度也相對較高。但同時雷達(dá)的結(jié)構(gòu)層次明顯，由多個系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)一般由有機(jī)柜，分機(jī)，插件板組成，所以根據(jù)雷達(dá)的層次化可以分級設(shè)計故障檢測模型。不同的功能采用不同的檢測方法。通常情況下，檢測是通過對雷達(dá)系統(tǒng)中某些節(jié)點(diǎn)上施加一定的激勵信號，對電路產(chǎn)生影響和控制，通過被測電路的反饋分析出故障所在位置以及解決方案。雷達(dá)工作時，各功能模塊之間必然發(fā)生信息交互傳遞。針對某一特定功能模塊的檢測，可以通過模擬其上位模塊對被測模塊發(fā)送對應(yīng)的激勵信號，再接收被測模塊的反饋信息來判斷其工作狀態(tài)是否正常。本文以CPLD與單片機(jī)為核心，設(shè)計一個實用的故障檢測系統(tǒng)，再加入一些外圍電路就可以模擬出多種激勵信號，從而達(dá)到故障檢測目的。

1 硬件平臺設(shè)計

CPLD與MCU結(jié)合的實用領(lǐng)域非常廣泛，因為其各自的特點(diǎn)。MCU控制能力強(qiáng)，有豐富且強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，低功耗，易擴(kuò)展，價格低廉等優(yōu)良特性使其成為高性價比控制型芯片。CPLD是一種復(fù)雜可編程邏輯器件，用戶可以根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字積少集成電路，其對數(shù)字編碼，時序的產(chǎn)生與控制更加方便快捷。結(jié)合這兩個器件的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計了一個簡單的硬件框架，如圖1所示。

單片機(jī)MCU（AT89C55）通過串行通信接口從檢測控制端獲取檢測命令，通過配置單片機(jī)波特率發(fā)生器，使用9600Bd波特率傳輸串行數(shù)據(jù)。MCU的P0口作為8為數(shù)據(jù)總線，連接至CPLD（Altera，EPM2210）與FIFO。P2口作為8位地址總線與CPLD相連。P1口的P1^0～2三根數(shù)據(jù)線接入操控機(jī)，作為測試結(jié)果的狀態(tài)信號，可表示出8種測試結(jié)果。P1^4端口作為對操控機(jī)的中斷信號，通知其在以上端口讀取測試結(jié)果。剩下幾個P1對端口與CPLD連接作為某些狀態(tài)使能信號，可自由調(diào)配。

CPLD的外部電路主要是被測單元與存儲芯片的連接。根據(jù)激勵信號的不同，CPLD與被測單元（UUT）之間的連接有8位數(shù)據(jù)線發(fā)送并行數(shù)據(jù)，串行接口發(fā)送RS485或RS232串行數(shù)據(jù)，以及模擬信號等。被測單元的回告信息通過同樣接口傳回CPLD或者裝入外部FIFO。外部FIFO的寫數(shù)據(jù)（WR），讀數(shù)據(jù)（RD），清空（RST），半滿/全滿（HF/FF）信號連入CPLD，由CPLD控制FIFO的讀寫。

在測試中，由CPLD按預(yù)設(shè)信息做出激勵信號并發(fā)向被測功能模塊。根據(jù)不同的檢測命令，CPLD控制FIFO外部芯片存儲被測模塊的反饋信息，然后向MCU發(fā)出中斷信號。MCU收到中斷后，從相應(yīng)的外部取回反饋信息，加以判斷來確定是否存在功能模塊故障。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 單片機(jī)功能設(shè)計

本系統(tǒng)中單片機(jī)主要負(fù)責(zé)接收測試命令，控制CPLD發(fā)出各種激勵信號，以及最后反饋信息的分析工作。具體流程圖如圖2所示，單片機(jī)通過MAX485差分芯片接收外部的測試命令，上電后，單片機(jī)處于等待命令狀態(tài)，串口處于接收狀態(tài)，數(shù)據(jù)線上有數(shù)據(jù)時，檢測字頭開始接收數(shù)據(jù)，通過末尾校驗位來判斷是否為正確的測試命令。接收到命令后，系統(tǒng)進(jìn)入檢測狀態(tài)，通過8位并行數(shù)據(jù)線向CPLD地址發(fā)送命令，隨即進(jìn)入等待回告狀態(tài)。故障檢測的原則就是將被測單元反饋的信息與存儲在單片機(jī)中的正確反饋信息進(jìn)行比對，如果兩組數(shù)據(jù)一致，向上位機(jī)發(fā)出中斷并告知被測單元無故障，反之，向上位機(jī)反饋存在故障的功能模塊。

2.2 CPLD設(shè)計

CPLD主要任務(wù)是在工作時產(chǎn)生檢測激勵信號以及外部存儲芯片的讀寫控制。根據(jù)被測功能模塊的不同，激勵信號也分為數(shù)字信號與模擬信號。相對而言，數(shù)字信號容易產(chǎn)生，通過串口或并口輸出加到被測單元即可。模擬信號相對復(fù)雜，需要通過設(shè)計一個波形發(fā)生器來完成。脈寬調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）時利用數(shù)字信號對模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)，其實質(zhì)是對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器，方波的占空比被調(diào)制用來對一個模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號依然是數(shù)字信號，在給定的時刻，滿幅值的直流供電要么通，要么斷。電壓或電流源是以一種通或斷的重復(fù)脈沖序列被加載模擬負(fù)載上的。只要帶寬足夠，任何模擬信號都可以使用PWM進(jìn)行編碼。如圖3所示，一個正弦波可以用一些相等幅度但不等寬的脈沖來代替。正弦波被分為N等分，可以看成N個連續(xù)的脈沖序列，時間寬度相等，但幅值不等。用矩形脈沖替代是，信號等幅但不等寬，中電重合，面積相等，脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化，體現(xiàn)在模擬信號中的幅值變化。

使用CPLD實現(xiàn)PWM發(fā)生器非常簡便，其中包括了計數(shù)器，數(shù)據(jù)比較器，時鐘分頻寄存器以及占空比寄存器。分頻存儲器用來存放不同波形所需要的計數(shù)器參數(shù)，占空比寄存器存放著不同的閾值。當(dāng)啟動發(fā)生器時，計數(shù)器開始計數(shù)，輸出和占空比寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)計數(shù)器輸出小于占空比設(shè)定值時輸出低電平，否則輸出高電平。

CPLD控制FIFO（IDT7204）的讀寫。當(dāng)激勵信號施加在被測單元后，CPLD隨即產(chǎn)生FIFO寫信號/WR，每個下降觸發(fā)寫操作，被測單元回告的數(shù)據(jù)寫入FIFO。當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)量達(dá)到半滿時，半滿信號端口（/HF）輸出低電平至CPLD。CPLD發(fā)中斷給單片機(jī)，告知FIFO數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好可以進(jìn)行讀操作。MCU從指定地址讀取數(shù)據(jù)，地址線在CPLD中合成出FIFO的讀信號/RD。

3 結(jié)束語

MCU+CPLD結(jié)構(gòu)是很多電子系統(tǒng)設(shè)計的一種基本框架，MCU可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制與檢測，CPLD可以靈活的實現(xiàn)外圍擴(kuò)展電路，彌補(bǔ)了MCU相應(yīng)速度慢等問題，兩者互補(bǔ)性強(qiáng)。本設(shè)計通過對某型雷達(dá)故障檢測實驗中得到了成功的應(yīng)用。通過對外圍電路以及CPLD邏輯的改進(jìn)，系統(tǒng)可滿足不同應(yīng)用場合，可移植性強(qiáng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊志鵬，王世堯.基于CPLD的單片機(jī)之間的通信接口設(shè)計[J].廈門：電腦開發(fā)與應(yīng)用.

[2] 黃正謹(jǐn).CPLD系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)入門與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3] 王志鵬.可編程邏輯器件開發(fā)技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.