CINRAD/SA天氣雷達光纖鏈路測試工裝系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

姚 雷,朱 毅,吳嘉偉,儲晨曦

(1.連云港市氣象局,連云港 222000;2.江蘇省氣象局,南京 210009;3.南通市氣象局,南通 226000;4.江蘇省氣象探測中心,南京 210009)

0 引言

截至目前,中國已建成236部由S波段和C波段新一代天氣雷達構成的世界上規(guī)模最大的氣象雷達網(wǎng)。該氣象雷達網(wǎng)近地面1 km覆蓋范圍超220萬km2,傳輸時效從8 min縮短到50 s,業(yè)務可用性達99%。其觀測數(shù)據(jù)和產(chǎn)品為構筑氣象防災減災第一道防線發(fā)揮了重要作用[1]。中國氣象局建立了國家級、省級、臺站級三級保障體系,同時建立了國家級、省級保障維修平臺[2-3]。許多氣象工作者對發(fā)射機、接收機、伺服系統(tǒng)等建立了大量的測試工裝,如劉光普等[4]使用LabVIEW技術,在分析雷達發(fā)射系統(tǒng)主要參數(shù)測試原理的基礎上,將雷達站現(xiàn)有的功率計、示波器等儀器作為硬件設備,通過信號中樞的控制,實現(xiàn)CINRAD雷達發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射峰值功率、脈沖包絡等參數(shù)的遠程自動化測試;楊奇等[5]設計了一種對S波段新一代天氣雷達前級組件(包含固態(tài)放大器和脈沖形成器)維修與測試的快速診斷系統(tǒng),該診斷系統(tǒng)主要為發(fā)射機前級組件提供所需的各種電壓、控制信號、時序邏輯信號,滿足對前級組件的測試電路信號需求;邵楠等[6]通過對CINRAD/SA天氣雷達伺服系統(tǒng)設備進行技術梳理,詳細介紹了伺服系統(tǒng)測試工裝的系統(tǒng)組成、硬件和軟件設計及如何利用測試工裝進行伺服系統(tǒng)故障診斷與測試。據(jù)相關統(tǒng)計,光纖鏈路故障在雷達天線伺服系統(tǒng)中的發(fā)生概率較大[7-11]?，F(xiàn)有研究中關于光纖鏈路相關測試工裝的研究相對較少。文章對CINRAD/SA雷達監(jiān)控系統(tǒng)中光纖鏈路測試工裝系統(tǒng)原理、設計、測試流程進行闡述,以期滿足對光纖鏈路相關組件測試與維修的要求。該測試工裝系統(tǒng)不僅能完成光纖鏈路自備件的測試,還可以借助測試工裝系統(tǒng)進行相關組件快速故障診斷定位,縮短維修時間,提高維修效率。

1 CINRAD/SA雷達光纖鏈路系統(tǒng)組成

光纖鏈路由上、下光端機及光纜組成。上、下光端機可以實時完成天線/底座內(nèi)到雷達設備機房所有弱電信號的傳輸。上光端機包括直流穩(wěn)壓電源、上光纖板和機箱,放置在天線座內(nèi),主要負責采集天線罩溫度傳感器、天線功率監(jiān)視器、天線轉速表(方位和俯仰)輸出的4路模擬信號,將這4路模擬信號進行12位的A/D轉換;采集塔/天線座的16個數(shù)字信號及2組天線角度信號(方位和俯仰角度),時序控制電路將這些信號通過光纜傳輸?shù)絉DA監(jiān)控機柜的下光端機,同時將下光端機電路的接收機保護器命令信號傳送給接收機保護器。上光纖板主要由四路數(shù)模轉換電路、角碼差分輸入和輸出電路、伺服狀態(tài)信息輸入電路、工裝方位和俯仰角碼輸入電路、復雜可編輯邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)數(shù)字處理電路以及光纖收發(fā)電路組成。

下光端機接收上光端機的所有信號,將其中4路模擬信號進行12位D/A轉換。時序控制電路將這些信號分別傳送給分布式存取單元(Distributed Access Unit,DAU)和直流配電單元(Direct Current Distribution Unit,DCU),同時將接收機保護器的輸出信號傳送給RDA計算機。下光纖板主要由四路數(shù)模轉換電路、角碼差分輸出電路、伺服狀態(tài)信息輸出電路、CPLD數(shù)字處理電路和光纖收發(fā)電路組成。下光纖板的信號傳輸是上光纖板的反向過程,即上、下光纖板信號遵循數(shù)據(jù)采集—A/D轉換—編碼打包—串行傳輸—串行接收—拆包—D/A轉換—數(shù)據(jù)還原過程。下光纖板安裝在雷達設備機房監(jiān)控機柜內(nèi)DAU的板卡插槽上。

2 光纖鏈路測試工裝系統(tǒng)設計

2.1 光纖鏈路測試工裝系統(tǒng)主要功能

光纖鏈路主要負責將模擬和數(shù)字信號進行D/A轉換、A/D轉換、數(shù)字變換打包后進行串行傳輸。

模擬信號為:

1)天線功率檢測信號:0～1 W;

2)天線罩溫濕度電流信號:4 mA～20 mA;

3)方位和仰角速度信號:-39～39 V。

數(shù)字信號為:

1)15路天線座狀態(tài)信號;

2)方位和俯仰角度串行信號;

3)保護器命令和響應信號。

光纖鏈路所傳輸?shù)哪M信號變化范圍大,要求精度高,如天線方位和俯仰轉速表輸出信號變化范圍為-39～39 V,傳輸精度小于±20 mV。這2路信號通過光纖鏈路直接傳送到天線伺服調(diào)速系統(tǒng),控制天線的轉速,因此對這2路模擬信號的穩(wěn)定性和可靠性要求較高。模擬信號大修后的SA雷達大部分已經(jīng)不再使用,如天線功率檢測模擬信號暫未使用;方位和仰角速度信號已采用直接傳輸方式;光纖僅傳輸溫濕度信號。由于溫濕度信號比較簡單,用數(shù)字萬用表測量比較簡潔,因此文章研究的測試工裝系統(tǒng)并未設計該功能。

光纖鏈路采用了較先進的超大規(guī)模集成可編程芯片(PLD)來實現(xiàn)所有數(shù)字電路的功能,這使得系統(tǒng)結構緊湊、體積小、抗干擾能力強、工作穩(wěn)定可靠。數(shù)字信號中保護器命令和響應信號在SA大修升級后,已經(jīng)不再經(jīng)光纖板傳輸。

針對上述上、下光纖板實現(xiàn)的模擬和數(shù)字信號傳輸,光纖鏈路測試工裝系統(tǒng)主要實現(xiàn)對數(shù)字信號傳輸鏈的功能檢測,即檢測數(shù)字信號中方位角碼和俯仰角碼傳輸鏈路(輸入角碼數(shù)據(jù)等于輸出角碼數(shù)據(jù));天線座狀態(tài)數(shù)據(jù)鏈路即天線座輸入狀態(tài)信號等于下光纖板輸出狀態(tài)信號。

2.2 測試工裝系統(tǒng)硬件組成設計

測試工裝系統(tǒng)主要由電源電路、角碼輸入電路、角碼輸出電路、伺服狀態(tài)信息輸入與輸出電路、控制電路和通信接口組成(圖1)。

圖1 測試工裝系統(tǒng)組成原理

2.2.1 電源電路

工裝系統(tǒng)要同時為上光纖板、下光纖板、工裝板供電。上、下光纖板主要使用5,15和-15 V電壓,工裝板采用5 V電壓,工裝系統(tǒng)采用65 W一體化電源可提供上述3組電壓。

2.2.2 角碼輸入電路

角碼輸入電路主要是模擬光電編碼盤和軸角盒輸出的數(shù)據(jù)。單片機接收串口發(fā)來的角碼數(shù)據(jù)通過74LS245送至并變串電路(74LS165),該電路為軸角盒編碼電路上光纖板提供時鐘信號和加載信號。電路采用并入串出方式,將方位和俯仰解碼數(shù)據(jù)串入上光纖板電路。每16個時鐘,角碼信息完成一次加載并更新。加載更新的頻率為9.676 kHz,即上光纖板每103.3 μs更新1次方位和仰角數(shù)據(jù)。

2.2.3 方位和俯仰角碼輸出電路

工裝板定時輸出16位時鐘信號,下光纖板串出方位和俯仰角碼信息。角碼輸出電路采用兩路74LS164進行串行連接。每16個時鐘后,將角碼信息鎖存數(shù)據(jù),并顯示在LED指示電路中。角碼輸出電路實際上為串聯(lián)變并聯(lián)輸出電路。下光纖板與雷達伺服數(shù)字控制單元5A6 工作時,實際更新角碼時間為45 ms。因此下光纖板讀取角碼的時間和上光纖讀取軸角盒角度不是同步的,工裝系統(tǒng)中讀取時間自由。

2.2.4 伺服狀態(tài)信息輸入與輸出電路

伺服狀態(tài)信息主要有15位報警信息,分別是俯仰預正限位、負限位,俯仰終正限位、負限位,方位齒輪箱油位,方位池油位,方位電機過溫,方位手輪,方位停止銷,俯仰減速箱油位,俯仰停止銷,俯仰電機過溫,俯仰手輪,天線罩門開關的航警燈報警。

伺服狀態(tài)信息輸入電路主要將以上15位報警信息并聯(lián)在一起,通過繼電器進行高低電平轉換,模擬伺服狀態(tài)信息正常與報警狀態(tài),輸出電路通過74LS244緩沖電路送至單片機輸入端口進行狀態(tài)檢測。繼電器由上位計算機進行控制,當進行報警測試時(全1),繼電器吸合,檢測輸出狀態(tài)信息是否為全1;當進行正常測試時(全0),檢測輸出狀態(tài)(X0～X14)是否是全0。由于伺服各狀態(tài)信息位一端都是通過5.1 kΩ電阻接至5 V電源,因此電路為開路時,輸入狀態(tài)均為高電平,繼電器吸合時拉至0 V。

2.2.5 控制電路與通信接口

工裝系統(tǒng)采用普通8位單片機PIC16F877A進行控制,單片機時鐘采用11.0952 MHz,由于該單片機I/O數(shù)量不能滿足工裝系統(tǒng)使用需求,大多數(shù)I/O口都采用74LS244實現(xiàn)復用選擇功能,以滿足對輸入、輸出的控制。同時工裝板采用1.2 MHz有源晶振產(chǎn)生,為上、下光纖板提供同步時鐘。通信接口采用RS-232方式進行,采用MAX202進行上位機數(shù)據(jù)的通信。

3 測試工裝系統(tǒng)測試流程設計與判定

3.1 測試工裝系統(tǒng)角碼程序流程

光纖鏈路所傳輸?shù)男盘柊ㄌ炀€的方位和俯仰軸角編碼器信號,是串行的二進制數(shù)。伺服系統(tǒng)每45 ms向下光端機提取1次軸角編碼器數(shù)據(jù),取數(shù)時間對于下光端機是隨機的。有時會發(fā)生存、取數(shù)據(jù)競爭問題。為此在下光端機電路中設計了一個互鎖電路,當伺服系統(tǒng)取數(shù)時,禁止存數(shù)。由此保證每次所取的數(shù)據(jù)是正確的。

程序首先對使用端口進行輸入輸出初始化,對通信端口進行初始化配置,將16位角碼并行數(shù)據(jù)設為輸出端口,配置串行通信采用9600波特率,1停止位、無校驗位。測試工裝首先并行輸出16位方位數(shù)據(jù)和角碼數(shù)據(jù)至74LS165電路;工裝板模擬16位時鐘,當16位時鐘產(chǎn)生完畢,讀出方位和角碼信息數(shù)據(jù),并與先前并行輸出數(shù)據(jù)相比較,當數(shù)據(jù)錯誤時,錯誤指示燈點亮,反之熄滅。處理完方位和角碼數(shù)據(jù)后,工裝碼讀取15位狀態(tài)報警信息,并將每位狀態(tài)信息以LED燈指示。

以下是角碼輸出電路中單片機模擬16位串形時鐘的程序。16位串形時鐘采用高低電平加空閑指令(NOP)模擬形成,模擬完成后讀出串聯(lián)變并聯(lián)后的數(shù)據(jù)。

for(countno=0;countno<16;countno++) //16次數(shù)據(jù)循環(huán),完成16位串行時鐘

{ RC1=0;//時鐘位,先清0,低電平

asm("NOP");//延時

asm("NOP");

asm("NOP");

asm("NOP");

asm("NOP");

RC1=1;//時鐘位,產(chǎn)生高電平,形成一位脈沖信號。}

RA0=1;//關閉244輸入

TRISD=0xff;//串形數(shù)據(jù)并入返回D0-7 方向輸入

TRISB=0xff;//串形數(shù)據(jù)并入返回D8-15 方向輸入

RA1=0;//打開244輸出

returndata0l=PORTD;

axisvalue.adres[0]=returndata0l;

returndata0h=PORTB;

RA0=0;//打開244輸入,讓保持輸入時間更長,便于打入數(shù)據(jù)

axisvalue.adres[1]=returndata0h;

中斷子程序主要處理來自串口的通信數(shù)據(jù),解析輸入的解碼數(shù)據(jù),并輸出下光纖板輸出的解碼數(shù)據(jù)和伺服狀態(tài)信息。

3.2 測試工裝系統(tǒng)測試判定

3.2.1 角碼數(shù)據(jù)正誤判定

角碼數(shù)據(jù)測試是通過上位計算機的串口助手進行的,即串口助手發(fā)送角碼數(shù)據(jù),經(jīng)工裝送至上光纖板后經(jīng)光纖和下光纖板輸出至工裝后返回判斷,當數(shù)據(jù)一致時即可判定角碼數(shù)據(jù)鏈路正常。

3.2.2 伺服狀態(tài)信息位判定

工裝檢測繼電器不吸合時的狀態(tài)(全1),返回伺服狀態(tài)信息數(shù)據(jù)應全為1;上位計算機發(fā)送吸合指令時(全0),工裝測試信息位應全為0。當上述2種狀態(tài)正常時,則上、下光纖板伺服狀態(tài)信息位正常。反之當有1位不正常時,則應該對上、下光纖板進行電路排查。

3.2.3 模擬值正誤判定

模擬值主要傳輸天線罩的溫濕度信號(電機速度信號在交流系統(tǒng)中已取消在光纖板傳輸),工裝系統(tǒng)中并未對模擬信號進行檢測,實際工作中需在上光纖板溫濕度輸入端引入1個電壓,用數(shù)字萬用表測量下光纖板輸出是否一致即可。

4 結束語

文章設計并實現(xiàn)了天氣雷達光纖鏈路測試工裝系統(tǒng),并對其原理及測試流程等進行闡述,得出以下結論:

1)CINRAD/SA天氣雷達光纖鏈路測試工裝系統(tǒng)的設計,實現(xiàn)了對雷達光纖鏈路及其相關組件的離線測試。實際測試過程中,系統(tǒng)可以快速定位故障并排除,提高了維護時效,有效節(jié)約了維護成本。

2)測試工裝系統(tǒng)可以通過配合測試平臺軟件實現(xiàn)儀表的數(shù)據(jù)采集,可對光纖鏈路完成自動化測試與維修。建立光纖鏈路組件的離線維修與測試的硬件環(huán)境,為故障的判斷與維修提供了便利,可提升雷達機務員保障能力。

3)后續(xù)可以繼續(xù)實施維修測試平臺軟件技術升級,擴展測試工裝的通信控制等功能,相關經(jīng)驗可推廣應用到其他氣象雷達伺服系統(tǒng)故障診斷和維修中,成為天氣雷達省級維修測試平臺的重要組成部分。