一種大功率微波開關(guān)原位檢查儀設(shè)計(jì)

管亮中 ,胡華強(qiáng) ,周 剛

(1.空軍工程大學(xué),河南 信陽 464000;2.解放軍95965部隊(duì),山東 德州 253000)

0 引言

電子戰(zhàn)裝備覆蓋頻率廣,空域大,為了實(shí)現(xiàn)大功率、寬頻帶的電子干擾,大多采用空間多波束功率合成技術(shù),在覆蓋的頻段范圍內(nèi)分別設(shè)置多個(gè)發(fā)射機(jī)。為此,每個(gè)發(fā)射機(jī)配套設(shè)置多個(gè)大功率微波開關(guān)。以某型任務(wù)系統(tǒng)為例,其大功率微波開關(guān)多達(dá)60多個(gè)。為了檢測其微波開關(guān)性能,需要將任務(wù)系統(tǒng)顯控裝置和發(fā)射機(jī)同時(shí)加電,3～4 人同時(shí)配合,通過軟件控制微波開關(guān)陣工作,采用人工監(jiān)聽的方式判斷開關(guān)是否閉合或者斷開。這種檢測方式一方面消耗了發(fā)射機(jī)核心器件行波管的壽命,另一方面結(jié)果不可靠、檢測效率低,難以滿足部隊(duì)?wèi)?zhàn)訓(xùn)任務(wù)需求,為此,急需研制一種便攜式原位檢查儀,以便1個(gè)人即可完成其性能檢測并記錄結(jié)果,提高任務(wù)系統(tǒng)的保障效率。

1 理論分析

大功率微波開關(guān)主要是指SP2T、SP3T 開關(guān),其控制信號是直流28 V。SP2T 微波開關(guān)有1根控制線,如果控制線接地,微波開關(guān)通道1和公共端閉合;如果控制線接直流28 V,通道2和公共端閉合。同理,微波開關(guān)SP3T 有2根控制線,也采用同樣的控制方法。每個(gè)微波開關(guān)除了以上的控制信號輸入端口、微波信號的輸入/輸出端口,還有相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)控信號輸出端口。通過讀取狀態(tài)監(jiān)控信號能夠判斷出微波開關(guān)的當(dāng)前狀態(tài),其工作原理如圖1所示。

圖1 大功率微波開關(guān)原理圖

通過以上的分析可以知道:SP2T、SP3T 開關(guān)陣列中每個(gè)開關(guān)的某種狀態(tài)都有相應(yīng)的控制和監(jiān)測信號,如果能夠?qū)@些信號進(jìn)行控制和回讀,就能知道微波開關(guān)當(dāng)前工作的狀態(tài),從而判定其是否能夠正常閉合和斷開。因此可以利用這個(gè)監(jiān)測接口來對SP2T 和SP3T 開關(guān)陣列進(jìn)行測試,通過研制控制電路來選擇不同波段的開關(guān)陣列,利用軟件給出檢測結(jié)果并進(jìn)行記錄,從而達(dá)到快速檢測和定位的目的。

2 原位檢查儀設(shè)計(jì)

大功率微波開關(guān)原位檢查儀主要包括高級指令微處理器(ARM)嵌入式系統(tǒng)、顯示接口電路、觸摸屏及顯示器、開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、信號采集電路、電源管理電路及配套測試電纜等,組成框圖如圖2所示。

圖2 大功率微波開關(guān)原位檢查儀組成框圖

2.1 ARM 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。便攜式原位檢查儀選用的嵌入式系統(tǒng)是以Samsung S5PV210芯片作為處理控制核心,運(yùn)行主頻可高達(dá)1 GHz。該系統(tǒng)采用專業(yè)穩(wěn)定的CPU 內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性;采用沉金工藝的七層板設(shè)計(jì),專業(yè)等長布線,保證關(guān)鍵信號線的信號完整性。該嵌入式系統(tǒng)具有體積小、功耗低、運(yùn)算速度快、中斷響應(yīng)時(shí)間短、支持實(shí)時(shí)多任務(wù)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 顯示接口電路

顯示接口電路包括4線電阻式觸摸屏接口和群創(chuàng)23.33 cm(7 寸)真彩薄膜晶體管液晶顯示器(LCD),該LCD 為電阻式觸摸屏,屏幕分辨率可達(dá)800×480,顯示面積大,色彩還原度較高。由于市場上的貨架產(chǎn)品顯示接口普遍采用扁平線設(shè)計(jì),可靠性較差,因此LCD 顯示屏外部接口進(jìn)行了定制,采用了可靠性較高的IDC40壓線接口,從使用情況來看可靠性較好。

2.3 電源管理電路

電源管理是整個(gè)大功率微波開關(guān)原位檢查儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在,根據(jù)指標(biāo)要求,外部供電方式有交流220 V 和直流28 V,內(nèi)部采用大容量鋰電池進(jìn)行供電,檢查儀用電需求包括微波開關(guān)所需要的直流28 V、ARM 嵌入式系統(tǒng)所需要的直流5 V、開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路所需要的直流12 V 以及信號采集電路所需要的直流3.3 V,因此供電方式多樣,輸出電壓范圍跨度大,同時(shí)要滿足連續(xù)工作時(shí)間不小于4 h的要求。

(1) 電池選擇

在電池選擇上,如果采用鎳氫電池,其優(yōu)點(diǎn)是電壓可以直接做到直流28 V,容量大,但缺點(diǎn)也很明顯,體積不能滿足要求。為了保證設(shè)備的小型化要求,采用單位體積容量最大的鋰電池是最佳方案,而目前市場上的鋰電池可以做到直流12 V 或直流24 V,不能夠直接使用,需要進(jìn)行電壓的二次變換。

由于要求連續(xù)工作時(shí)間不小于4 h,通過對耗電量進(jìn)行分析,每個(gè)大功率微波開關(guān)切換時(shí)的靜態(tài)電流為200 m A,峰值電流為400 m A,連續(xù)工作4 h耗電量不大于50 W。ARM 嵌入式系統(tǒng)(包括液晶顯示屏)最大耗電電流不大于2 000 m A,連續(xù)工作4 h耗電量不大于50 W;驅(qū)動(dòng)電路板和信號采集板4 h的最大耗電量不大于50 W,因此所選用的鋰電池容量要不小于150 W。

綜合考慮以上供放電需求,檢查儀采用直流12 V容量20 Ah的鋰電池,采用大電流保護(hù)板,放電電流可以達(dá)到5 A 以上,因此無論是在功耗上還是在放電電流上都可以滿足要求。并且在電池盒設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮拆卸的便捷性,電池盒外形如圖3所示。

圖3 電池盒外形圖

(2) 升壓電路設(shè)計(jì)

由于采用直流12 V 的鋰電池,因此為了滿足大功率微波開關(guān)測試的電壓需求,需要設(shè)計(jì)直流12 V到直流28 V 的升壓電路。在設(shè)計(jì)升壓電路時(shí),要滿足輸入電壓范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高及驅(qū)動(dòng)電流大的要求。通過比較選擇,升壓電路采用XL6009-ADJ可調(diào)升壓芯片,其輸入電壓范圍可以達(dá)到4～40 V。通過調(diào)整外接電阻,可以使輸出電壓固定到直流28 V,既可以滿足鋰電池的升壓要求,也能夠直接采用外部直流28 V 進(jìn)行供電,不需要再單獨(dú)設(shè)計(jì)電源切換電路,升壓電路原理如圖4所示。

圖4 升壓電路原理圖

(3) 降壓電路設(shè)計(jì)

降壓電路設(shè)計(jì)主要是滿足ARM 嵌入式系統(tǒng)和信號采集電路板的供電需求,同時(shí)考慮到要直接采用直流28 V 進(jìn)行供電,因此選擇降壓芯片時(shí)也要滿足輸入電壓范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高的要求,并且考慮到電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性,嵌入式系統(tǒng)和信號采集板采用分離供電方式,分別選擇降壓芯片XL1509-5 V 和XL1509-3.3 V,輸入電壓范圍可以達(dá)到5～40 V,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95%,其電路原理如圖5所示。

圖5 降壓電路原理圖

2.4 開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路

開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路用于控制大功率微波開關(guān)的閉合和斷開,由于其工作電壓為直流28 V,電流最大可以達(dá)到400 m A,因此在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮滿足大功率負(fù)載的要求,根據(jù)研制方案可以采用手動(dòng)開關(guān)切換、自動(dòng)光電耦合器切換以及繼電器切換等方式。如果采用手動(dòng)開關(guān)切換的方式,由于要滿足8路SP3T 和4路SP2T 微波開關(guān)切換的要求,檢查儀體積較大,并且測試時(shí)間長,效率低;如果采用光電耦合器切換的方式可以有效減小設(shè)備體積和降低功耗。但由于光電耦合器在高溫時(shí)的可靠性難以保證,經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)、選擇,采用歐姆龍的雙路繼電器進(jìn)行開關(guān)切換。其體積小,在直流30 V 的情況下電流可以達(dá)到2 A,完全可以滿足大功率微波開關(guān)切換的要求。同時(shí)是雙路切換,一路用來控制,另外一路可以進(jìn)行檢測。整個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路由16個(gè)繼電器及繼電器驅(qū)動(dòng)電路組成,電路原理如圖6所示。

圖6 開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.5 信號采集電路

信號采集電路主要功能是讀取每個(gè)開關(guān)的閉合狀態(tài)信號,按照1組SP3T大功率微波開關(guān)的測試需求設(shè)計(jì),需要對24路信號進(jìn)行檢測。同時(shí)信號采集電路也要對電池電壓、控制電壓等電源信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,保證被測設(shè)備安全,因此信號采集電路還設(shè)計(jì)有模/數(shù)(A/D)變換電路,用于對電壓信號進(jìn)行變換。

(1) 開關(guān)狀態(tài)讀取電路

開關(guān)狀態(tài)讀取電路需要對24路狀態(tài)信號進(jìn)行讀取,24路狀態(tài)信號可以設(shè)置為TTL 電平。由于每次測試只需要讀取1路狀態(tài)信號,因此24路狀態(tài)信號可以共用1路數(shù)字I/O 進(jìn)行測試,只需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的狀態(tài)信號切換電路即可。考慮到狀態(tài)信號電流較小,并且是TTL 電平,采用多路模擬開關(guān)進(jìn)行控制即可,電路原理如圖7所示。

圖7 開關(guān)狀態(tài)讀取電路原理圖

(2)A/D 變換電路

A/D 變換電路主要對鋰電池電壓和大功率微波開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行監(jiān)控,如果鋰電池電壓小于10 V,欠壓指示燈就會(huì)點(diǎn)亮。在對微波開關(guān)進(jìn)行測試時(shí),開關(guān)閉合之前對DC28 V 進(jìn)行檢測,只有在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)才允許輸出閉合控制信號,閉合信號輸出之后,還需要對繼電器輸出電壓進(jìn)行檢測,待這2個(gè)電壓都在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)后,再讀取大功率微波開關(guān)狀態(tài)回線,這樣做既可以保證大功率微波開關(guān)不會(huì)被意外燒毀,同時(shí)也能夠確認(rèn)測試結(jié)果的可靠性。A/D 變換電路的原理如圖8所示。

圖8 A/D 變換電路原理框圖

2.6 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路以C8051F020單片機(jī)為主體,主要對開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路和信號采集電路的工作狀態(tài)進(jìn)行控制,讀取測試結(jié)果,然后通過通信接口上報(bào)測試結(jié)果,為了保證工作的可靠性,控制電路在硬件上設(shè)計(jì)有復(fù)位電路,軟件上采用看門狗監(jiān)控,保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行,其原理結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 控制電路原理框圖

2.7 測試軟件設(shè)計(jì)

檢查儀應(yīng)用軟件采用Windows CE6.0操作系統(tǒng)開發(fā)完成,包括依附于操作系統(tǒng)環(huán)境的應(yīng)用程序及相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序兩部分。驅(qū)動(dòng)程序包括顯示驅(qū)動(dòng)、通信接口驅(qū)動(dòng)等,是系統(tǒng)軟件和硬件之間的橋梁。應(yīng)用程序是整個(gè)系統(tǒng)功能的最終執(zhí)行者,利用模塊化的設(shè)計(jì)思想,主要由測試設(shè)置、功能測試、輔助測試、結(jié)果管理及系統(tǒng)設(shè)置等組成,軟件結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

任務(wù)系統(tǒng)保障效率是提升裝備完好性、提高裝備戰(zhàn)斗力的重要一環(huán)。為了提高某型任務(wù)系統(tǒng)大功率微波開關(guān)性能檢測效率,設(shè)計(jì)了一種原位檢查儀,通過實(shí)裝測試,該設(shè)備可在開關(guān)原有位置完成性能測試,從以往的3～4人系統(tǒng)保障到目前僅需1人即可完成測試,大大節(jié)約了人力資源、減小了檢測時(shí)間,提高了任務(wù)保障效率。