基于Labview的雷達發(fā)射機磁控管老煉系統(tǒng)設(shè)計

(長江大學 電子信息學院，湖北 荊州 434023)

0 引言

磁控管是雷達發(fā)射機的重要組成部分之一，其工作時的性能指標直接影響雷達的運行狀態(tài)，進而影響軍隊的作戰(zhàn)效率[1]。兩種情況會影響磁控管的性能：1)新磁控管由于陰極沒有充分分解和激活，導(dǎo)致良好的發(fā)射表面不能形成；2)舊磁控管因為長期未使用，電極中的殘余氣體被慢慢釋放，導(dǎo)致真空度慢慢降低。在這兩種情況下，陰極再施加高壓進行工作，輕則會出現(xiàn)打火，造成磁控管的損壞，重則會出現(xiàn)一定的安全事故。因此，對于新磁控管和舊磁控管，必須在使用之前進行“老煉”測試[2]?！袄蠠挕笔侵附油ù趴毓軣艚z電壓，使管子長時間預(yù)熱，然后逐步加高壓，多次反復(fù)直到磁控管在額定工作電壓、電流下能穩(wěn)定地工作為止。老煉的目的是為了提高真空度、穩(wěn)定磁控管參數(shù)、提高磁控管工作的可靠性，同時還可以發(fā)現(xiàn)磁控管存在的問題，以便及時解決[3]。正常工作的磁控管每幾個月就要加壓一次，因為隨著磁控管工作，管體內(nèi)的殘留氣體引起電弧減少，會影響磁控管的使用[4]。因此，必須逐漸向陰極施加高壓來提高電極的溫度，直到氣體被電極完全吸收。在老煉其間需要嚴格控制燈絲電壓，不同時期生產(chǎn)的磁控管性能指數(shù)不一樣，磁控管輸出電流的數(shù)值范圍也不相同，這樣就需要雷達發(fā)射機老煉系統(tǒng)具有脈沖電壓可調(diào)、脈沖寬度可調(diào)、脈沖周期可調(diào)?；贚abview[5]以上要求本文介紹一種基于的雷達發(fā)射機磁控管老煉系統(tǒng)，通過采集卡數(shù)據(jù)采集、上位機顯示兩部分，實現(xiàn)對磁控管老煉過程和磁控管性能數(shù)據(jù)的實時采集、分析、處理、顯示和讀取，來判斷磁控管的狀態(tài)。

1 磁控管老煉系統(tǒng)的硬件設(shè)計

磁控管老煉系統(tǒng)根據(jù)不同的磁控管型號設(shè)計不同的程序，通過上位機選擇相應(yīng)的型號自動執(zhí)行相應(yīng)的程序，自動完成老煉測試過程，并對其測試過程進行監(jiān)控。

1.1 磁控管老煉系統(tǒng)的硬件組成和工作原理

磁控管老煉系統(tǒng)主要是工控機FLB96A2、PCI8211動態(tài)信號采集卡、脈沖調(diào)制器、定向耦合器、功率計、頻譜分析儀、等效負載等組成，整個系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 磁控管老煉系統(tǒng)組成框圖

FLB96A2是一款多功能、高性能無風扇嵌入式工控整機，帶有PCI插槽，支持64路模擬量輸入、數(shù)字量輸入、輸出各8路的PCI8211直接插入工控機，組成采集控制系統(tǒng)，它結(jié)構(gòu)堅固，抗沖擊，抗振，并能夠防止數(shù)據(jù)在移動時丟失。

PCI8211支持多路AD異步數(shù)據(jù)采集，可實現(xiàn)64路單端采集或32路雙端采集，AD采集帶8 K字FIFO存儲器；同時該卡支持四路12位DA輸出，該卡還帶CNT定時/計數(shù)器功能，具有8路DI/DO功能，,直接插在FLB96A2工控機內(nèi)的任一PCI插槽中，構(gòu)成整個采集和控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)開始工作時，工控機直接調(diào)用PCI8211動態(tài)信號采集卡數(shù)字量輸出DO0通道發(fā)出指令讓脈沖調(diào)制器輸出高壓脈沖，它被施加到磁控管的陰極以振蕩磁控管。在磁控管工作期間形成的磁控管電流信號經(jīng)調(diào)理后，由PCI8211模擬量采集通道AI0采集，然后輸入到工控機顯示，通過PID算法[6]調(diào)節(jié)電流信號，上位機再通過PCI8211數(shù)字量輸出DO0通道發(fā)出指令調(diào)節(jié)高壓脈沖，以達到脈沖高壓1～30 KV可調(diào)，脈沖周期1～400 Hz可調(diào)(步進1 Hz)，脈沖寬度1～5 μs可調(diào)(步進0.5 μs)，以適應(yīng)不同的磁控管老煉需求。系統(tǒng)工作時，過壓、故障信號、調(diào)制脈沖等信號，都通過PCI8211模擬量通道采集傳到工控機顯示，這樣就可以很直觀的自動監(jiān)控整個老煉系統(tǒng)。

磁控管老煉系統(tǒng)分為兩部分，一部分是磁控管電氣性能測試，另一部分是磁控管射頻性能測試;電氣性能測試是對磁控管陰極通電，使磁控管工作，然后再通過射頻性能測試，來判斷磁控管性能是否正常，以對磁控管狀態(tài)進行判定。

磁控管電氣性能測試主要通過PCI8211數(shù)字量通道控制脈沖調(diào)制器調(diào)節(jié)脈沖高壓，以及脈沖寬度、脈沖周期等參數(shù)。根據(jù)雷達發(fā)射機工作要求，按上位機預(yù)定程序完成對發(fā)射機系統(tǒng)的燈絲預(yù)熱、高壓通斷、故障指示以及功率控制和工作電流指示等功能。

射頻性能測試主要是對磁控管的參數(shù)進行測試，通過耦合器輸出，用功率計和頻譜分析儀進行功率測試和頻譜測試。判斷磁控管性能是否正常，從而對磁控管狀態(tài)進行判斷。

1.2 脈沖調(diào)制器的設(shè)計

脈沖調(diào)制器的設(shè)計是該系統(tǒng)的重點之一，脈沖調(diào)制器主要由3部分組成：直流開關(guān)電源部分、剛性調(diào)制部分、脈沖變壓器部分。直流開關(guān)電源部分的作用是把初級電源(例如市電)變換成符合要求的0～3 500 V直流高壓；剛性調(diào)制部分是由IGBT模塊、控制模塊、電容模塊和預(yù)調(diào)模塊等組成，控制對負載(射頻發(fā)生器)放電，提供電壓、脈沖寬度及脈沖波形等都滿足要求的高壓脈沖；脈沖變壓器是把剛性調(diào)制脈沖高壓通過10變比變壓輸出，滿足磁控管要求的30 kV高壓脈沖。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 脈沖調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)電源部分主要將三相交流電經(jīng)共模濾波電路濾除共模干擾后，送至整流濾波電路將交流電變換成平滑的直流電，然后通過PWM逆變電路將直流電變換成20 kHz的雙極性交流電，高頻變壓整流濾波電路再將20 kHz的雙極性交流電變換成電壓在DC 0V～3 500 V范圍變化的平滑直流電輸出。

剛性調(diào)制部分主要IGBT模塊、控制模塊、儲能元件和預(yù)調(diào)模塊等組成，上位機PID算法處理過的電流信號通過控制模塊控制預(yù)調(diào)模塊進行預(yù)調(diào)，然后用IGBT進行斬波，生成可調(diào)的脈沖高壓。組成框圖如圖3虛線框內(nèi)所示。

圖3 剛性調(diào)制部分組成框圖

IGBT屬于場控型的器件，其柵極特性為容性，因此必須采用圖騰驅(qū)動方式，其可以得到較好的前后沿。我們采用的IGBT需要結(jié)電容較大，又要求前后沿較好，所以必須采用較大驅(qū)動電流的驅(qū)動器M57962L。其可驅(qū)動400 A的IGBT，可以得到較好的驅(qū)動前后沿；定時控制電路采用光耦作為輸入，非常簡單，可直接采用TTL電路進行控制，輸入輸出的延時也較短，具有IGBT過流檢測和保護輸出功能[7]。

脈沖變壓器對從剛性調(diào)制部分輸出的低壓高功率調(diào)制脈沖執(zhí)行功率合成，并將其轉(zhuǎn)換為磁控管所需的脈沖幅度的高壓調(diào)制脈沖。采用超微晶軟磁鐵做變壓器鐵芯，把3 000 V的脈沖電壓通過10變比轉(zhuǎn)換為30 kV左右的脈沖高壓。

2 磁控管老煉系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于不同型號的雷達發(fā)射機磁控管老煉過程具有差異，因此不同的磁控管老煉程序也有稍有不同。在測試過程中，選擇要測試的磁控管，上位機自動識別相應(yīng)的程序，配置好各參數(shù)，點擊開始測試，自動執(zhí)行老煉過程。不同的老煉程序都包含了主程序和子程序，主程序控制整個老煉過程，子程序是實現(xiàn)每個模塊的運行，整個程序控制磁控管的工作狀態(tài)，并根據(jù)磁控管的電流和工作電壓等參數(shù)的變化，通過反饋控制施加到磁控管陰極的電壓，直至增加到正常工作電壓。

系統(tǒng)的軟件主要是上位機Labview程序。程序主要包括磁控管燈絲、高壓的開、?？刂谱映绦?、故障顯示子程序、脈沖調(diào)制制子程序、磁控管選擇子程序、PID算法子程序、頻譜分析儀顯示子程序、自檢子程序等。軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件測試界面

磁控管燈絲、高壓的開、?？刂谱映绦蛘{(diào)用PCI8211數(shù)字量輸出DO1、DO2通道用來控制燈絲和高壓的通斷；故障顯示子程序用于在測試期間顯示故障信息；脈沖調(diào)制器子程序調(diào)用PCI8211數(shù)字量DO0通道用來調(diào)節(jié)脈沖輸出；磁控管選擇子程序是上位機用來根據(jù)雷達發(fā)射機磁控管型號選擇相應(yīng)的程序，對不同的磁控管進行老煉；PID算法子程序是根據(jù)PCI8211模擬量輸入通道AI0采集的磁控管電流信號來調(diào)節(jié)控制脈沖調(diào)制器進行輸出的程序，從而控制施加到磁控管陰極的電壓大小。由于每種磁控管型號所施加高壓不同，每種磁控管的PID算法是不同的；頻譜分析儀顯示子程序是通過PCI8211模擬量通道AI1把頻譜分析儀數(shù)據(jù)顯示在上位機上，方便直接觀察；自檢子程序用于檢測各支路、各器件是否正常。在子程序的設(shè)計中，要遵守單入單出的結(jié)構(gòu)化原則，避免子程序執(zhí)行過程中出現(xiàn)長時間的等待，導(dǎo)致程序崩潰，而影響系統(tǒng)中其他程序的實時性，還在其中加入防干擾語句避免程序出現(xiàn)死循環(huán)。測試流程如圖5所示。

圖5 軟件測試流程圖

上位機采集卡的接口為Labview中的函數(shù),DAQ助手函數(shù)通過配置通道數(shù)、采集信號類型和模擬的輸出與輸出等來實現(xiàn)上位機與采集卡的連接，該系統(tǒng)中，主要配置各磁控管所需要的電壓或電流信號實現(xiàn)對它的老煉，還需要采集各反饋信號，實現(xiàn)測試的自動控制。

軟件采用結(jié)構(gòu)化編程，具有較好的模塊性和可擴展性。軟件系統(tǒng)具有以下特點：

1)程序編程設(shè)計的模塊化：軟件程序設(shè)計時，需要對被測信號輸入和模擬信號輸入、輸出進行詳細分類，設(shè)計出I/O控制、模擬量輸出、數(shù)據(jù)采集和處理等函數(shù)功能模塊。這樣軟件程序結(jié)構(gòu)就比較簡單、清晰，具有良好的易維護性和可讀性，對于程序的設(shè)計提供了便利。

2)容錯和防錯功能：容錯是主要指對操作人員在使用軟件測試系統(tǒng)時，如果出現(xiàn)誤操作導(dǎo)致的自鎖或者屏蔽功能。防錯是指每測試完一個磁控管時，軟件自動對硬件設(shè)備進行初始化設(shè)置，保證上次的設(shè)置不對下次測試產(chǎn)生影響，對每個繼電器、A/D通道進行復(fù)位，避免出現(xiàn)錯測和短路現(xiàn)象，從而造成磁控管的損壞。

3)自檢功能：測試系統(tǒng)是不是能正常工作，直接影響到磁控管老煉設(shè)備的工作狀態(tài)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定正常運行，系統(tǒng)需要具備自檢測試功能，直接由軟件自檢測試程序來自動完成診斷。

4)可擴展性：軟件做稍微改變就可擴展對其他系統(tǒng)及部件的自動檢測。

3 與傳統(tǒng)雷達發(fā)射機老煉系統(tǒng)的比較

傳統(tǒng)雷達發(fā)射機使用軟性脈沖調(diào)制器，通過發(fā)射機高壓電源加至高壓脈沖調(diào)制器，經(jīng)充電變壓器、人工線、脈沖變壓器進行直流諧振充電，充電電平受開關(guān)的控制，人工線充電儲能后，脈沖調(diào)制器處于待機狀態(tài)。當觸發(fā)脈沖激勵預(yù)調(diào)器后，輸出滿足氫閘流管要求的開關(guān)脈沖，閘流管導(dǎo)通，人工線上的能量經(jīng)閘流管和脈沖變壓器完全放出，并在脈沖變壓器升壓后，獲得符合磁控管要求的調(diào)制。隨著雷達發(fā)射機的功率越來越高，調(diào)制器的工作電壓和電流越來越高，傳統(tǒng)雷達發(fā)射機老煉系統(tǒng)中的軟性脈沖調(diào)制器已不能滿足要求。

該系統(tǒng)采用基于IGBT的剛性脈沖調(diào)制，運用了新型開關(guān)功率器件IGBT(絕緣柵雙極晶體管)作為為其開關(guān)管以替代氫閘流管，脈沖高壓、脈沖周期、脈沖寬度通過IGBT直接調(diào)節(jié)。采用IGBT作為開關(guān)的剛性脈沖調(diào)制器具有效率高，重量輕、體積小、可靠性高、易于模塊化設(shè)計，且不存在電子管的壽命問題。高電壓、大電流已成為IGBT主要發(fā)展方向。高壓 IGBT的新結(jié)構(gòu)、新工藝，使它具有低的開關(guān)損耗和低的通態(tài)壓降,且使其通態(tài)特性和關(guān)斷特性達到了最優(yōu)，這樣剛性脈沖調(diào)制器在雷達發(fā)射機磁控管老煉發(fā)揮更大的最用，與傳統(tǒng)雷達發(fā)射機老煉系統(tǒng)相比，性能得到了很大提高。

該系統(tǒng)采用全數(shù)控的操作模式，不需要到現(xiàn)場進行老煉，只需要把磁控管放在磁控管底座上，就可以在上位機上進行操作，并實時觀察老煉情況及系統(tǒng)各組件的工作情況，如果發(fā)生故障，上位機會發(fā)出故障顯示，采集的所有數(shù)據(jù)都可以通過Labview中的數(shù)據(jù)庫訪問工具包模塊存儲在數(shù)據(jù)庫中，可以隨時查看，LabSQL的使用使得所有的測試結(jié)果都可以交給專業(yè)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，利用各種數(shù)據(jù)庫模塊的優(yōu)勢可以更加高效地獲取和處理數(shù)據(jù)，而且還能夠方便地將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到其他的數(shù)據(jù)處理工具中，如。而傳統(tǒng)雷達發(fā)射車老煉系統(tǒng)，需要去現(xiàn)場調(diào)節(jié)各參數(shù)，以滿足老煉要求，手動記錄測試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場處于微波環(huán)境，現(xiàn)場調(diào)節(jié)具有一定的危險性，本系統(tǒng)很好的解決了這些安全問題。

4 測試結(jié)果

通過對比以下兩個界面可以看出，測試同一類型的磁控管，設(shè)置一樣的參數(shù)，正常的磁控管測試出來的結(jié)果與真實情況基本一致，而有故障的磁控管則出現(xiàn)了較大的偏差，本系統(tǒng)可以真實的檢測出磁控管的工作狀態(tài)，來判斷雷達發(fā)射機磁控管的好壞，這樣可以減少了磁控管帶來的經(jīng)濟損失。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能很好的直觀顯示磁控管的工作狀態(tài)，故障信息可以顯示在界面上，操作人員能清楚的對磁控管的好壞進行判斷，并對雷達發(fā)射機磁控管進行更換，避免了由于磁控管狀態(tài)給發(fā)射機帶來的損失。

圖6 磁控管正常情況下測試結(jié)果

圖7 磁控管故障情況下測試結(jié)果

5 結(jié)束語

不同型號的雷達發(fā)射機磁控管已經(jīng)在上述方法設(shè)計的雷達發(fā)射機磁控管老煉系統(tǒng)中進行了測試，效果非常好，完全可以滿足雷達發(fā)射機磁控管老煉的需求，與傳統(tǒng)老煉測試系統(tǒng)相比，具有一定通用性。本系統(tǒng)采用全數(shù)控的操縱模式，只需要安裝好磁控管，然后在上位機操作，設(shè)置老煉需要的參數(shù)，就可以進行測試，提高了老煉測試效率和自動化水平，大大降低了傳統(tǒng)磁控管老煉工作的強度，具有一定的實用性，對類似微波功率電子管器件的老煉工作具有一定借鑒作用。