固態(tài)發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)的雙熱備份設(shè)計

李桂新

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

雷達發(fā)射機一般采用可變脈沖工作比方式工作，同時具有功率密度大、高壓大電流和能量熱耗高等特點，這就導致系統(tǒng)內(nèi)的空間磁場分布具有很多不確定因素。顯而易見，發(fā)射機符合干擾源的所有特性，因此，發(fā)射機往往也是雷達中可靠性最低的分系統(tǒng)，是制約雷達系統(tǒng)整體可靠性的關(guān)鍵設(shè)備。但某些特殊體制的雷達，如氣象探測雷達、港口管制雷達、空情警戒雷達，要求雷達設(shè)備能全天候工作，對設(shè)備的可靠性提出很高要求［1］。

隨著現(xiàn)代固態(tài)發(fā)射機技術(shù)的發(fā)展，一套完善的監(jiān)控系統(tǒng)既可以降低操作者的使用難度，同時又對雷達系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和性能提升具有決定性作用。

1 發(fā)射機監(jiān)控的系統(tǒng)組成

固態(tài)雷達的發(fā)射機系統(tǒng)一般采用模塊化設(shè)計，各部分均能獨立工作，并通過天線由合成器將發(fā)射功率輻射到空間去。組成一個完整的固態(tài)發(fā)射機分系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊主要有:前級功放、末級功放、前級電源、發(fā)射電源、輔助電源、風機組件、雙工開關(guān)組件和監(jiān)測控制分機。發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

監(jiān)測控制分機是固態(tài)發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，主要負責管控發(fā)射機內(nèi)部各組成設(shè)備，對運行中出現(xiàn)的各種故障及時響應(yīng)并實施保護。監(jiān)測控制分機的另一個主要功能是通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)負責與雷達主控臺的聯(lián)絡(luò)通信，從而完成雷達對發(fā)射機的遠程監(jiān)控。

發(fā)射機內(nèi)部設(shè)備之間采用控制局域網(wǎng)總線(CAN總線)方式串行組網(wǎng)，分布節(jié)點多達五十多個，且分布在三個不同的機柜中。在工業(yè)控制領(lǐng)域，CAN總線具有極高的總線利用率和電磁抗干擾能力，可以根據(jù)報文的編號決定接收或屏蔽該報文，既支持多主構(gòu)架的系統(tǒng)，也支持主從方式的系統(tǒng)［2］。該總線規(guī)范能夠檢測出產(chǎn)生的任何總線錯誤，在發(fā)送信息遭到破壞后能自動啟用重發(fā)機制。如果該錯誤持續(xù)存在，在錯誤達到128次后，該節(jié)點會自動脫離總線，從而不影響其他節(jié)點的正常工作。待總線錯誤消失后，該節(jié)點又會自動接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)繼續(xù)通信［3］。

在發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部，可監(jiān)控的狀態(tài)量有功放組件和電源組件的電流值、溫度值及故障狀態(tài)，風機組件的轉(zhuǎn)速信息，機柜的出入口溫度值和風壓值，以及天線駐波、雙工開關(guān)位置等。監(jiān)控系統(tǒng)依靠不同的設(shè)備編號來識別這些信息。

2 雙熱備份的實現(xiàn)原理

雷達設(shè)備的工作可靠與否，直接關(guān)系到所負責空域的安全和操作員的人身安全。雙熱備份設(shè)計方案的目的就是在雷達設(shè)備工作出現(xiàn)致命性故障時，監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動切換到備份通道，從而保證雷達能繼續(xù)正常工作。

要真正實現(xiàn)雷達發(fā)射機雙熱備份功能，原則上發(fā)射機系統(tǒng)內(nèi)部就必須擁有兩套完全獨立的硬件設(shè)備。但考慮實際情況，采用并聯(lián)冗余和增加關(guān)鍵設(shè)備硬件相結(jié)合的方式即可滿足發(fā)射機系統(tǒng)的任務(wù)可靠性要求［4］。

發(fā)射機內(nèi)部的功放組件、風機組件和各種電源均采用并聯(lián)方式實現(xiàn)冗余備份;而監(jiān)測控制分機和雙工開關(guān)均屬于關(guān)鍵設(shè)備，則采用增加獨立硬件的方式來實現(xiàn)冗余［5］。這些設(shè)備工作時均處于熱備份狀態(tài)，發(fā)生故障時會自動切換到備份通道繼續(xù)工作，不會影響系統(tǒng)的性能指標。

一套完整的監(jiān)測控制分機包含檢測控制模塊和雙工控制模塊兩部分，這兩個模塊均由各自獨立的電源供電。平時不需要兩套硬件均處于帶電運行狀態(tài)，即熱備份狀態(tài)。正常主控制通道工作時，主通道中的檢測控制模塊和雙工控制模塊擁有設(shè)備的完全管控權(quán)力，既可以檢測發(fā)射機狀態(tài)，又可以控制發(fā)射機;而從控制通道的檢測控制模塊和雙工控制模塊則處于熱備份狀態(tài)，只能被動收集設(shè)備狀態(tài)信息，沒有控制權(quán)限，不能操控發(fā)射機。反之，從控制通道工作時，主控制通道處于熱備份狀態(tài)。

當主控制通道發(fā)生故障時，發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)的工作軟件會根據(jù)事先設(shè)定的判斷準則自動切換，或按主控臺指令要求人工切換到從控制通道，把控制權(quán)限移交給從通道，由從通道負責接管設(shè)備，從而使發(fā)射機繼續(xù)工作。

監(jiān)測控制分機中檢測控制模塊和雙工控制模塊在結(jié)構(gòu)上采用帶操作面板的插件形式。面板上裝配必要的指示燈和功能按鍵，這些按鍵中還包含了手動控制按鈕。在控制軟件失效的緊急情況下，可以通過各個模塊面板上的按鍵，手動實現(xiàn)對發(fā)射機的操控。

雙工開關(guān)組件是單刀雙擲開關(guān)設(shè)備，接受主從雙工控制模塊的控制，之間采用交叉連接的方式，共能實現(xiàn)四種組合控制。

考慮到在線維修的需求，在每個功能組件的供電回路均設(shè)置了單獨電源開關(guān)。當設(shè)備故障時，只需關(guān)掉對應(yīng)的電源開關(guān)，就可以在雷達發(fā)射機不停機的狀態(tài)下更換備件，能真正實現(xiàn)設(shè)備故障時在線維修。

3 檢測控制模塊的設(shè)計

檢測控制模塊是監(jiān)測控制分機中的管理中心，主要由基于X86構(gòu)架的PC104、實現(xiàn)總線譯碼的EPLD以及用于一些IO通道控制的外圍芯片組成。其功能原理組成圖如圖2所示。

圖2 檢測控制模塊功能框圖

方案中的PC104是一款嵌入式計算機，秉承了IBM-PC開放式總線架構(gòu)的優(yōu)點，為嵌入式開發(fā)應(yīng)用提供了標準的系統(tǒng)平臺。

檢測控制模塊在發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)中主要完成以下四個功能:

(1)負責巡檢發(fā)射機內(nèi)部CAN總線上的數(shù)據(jù)，并通過總線完成對各個組成節(jié)點的軟件開關(guān)機和異常故障保護;

(2)負責通過網(wǎng)絡(luò)和雷達主控臺進行數(shù)據(jù)交換，上報發(fā)射機狀態(tài)信息，接收雷控的遙控指令;

(3)根據(jù)準則判斷主從工作方式，并通過分機內(nèi)部的連接總線向雙工控制模塊發(fā)出雙工控制切換指令;

(4)負責檢測天線駐波等重要故障信息和面板按鍵信息，完成對發(fā)射機的控制。

4 雙工控制模塊的設(shè)計

雙工控制模塊的主要作用是自動檢測前級放大器的工作狀態(tài)，故障時能自動切換到備份通道。雷達的雙工開關(guān)主要由兩個耦合器、一個射頻開關(guān)和一個固定功率負載組成。兩路前級功放組件輸出的功率信號，各自通過一路檢測耦合器送到射頻開關(guān)，射頻開關(guān)是雙刀雙擲機械式開關(guān)。前級功放組件A路工作時，由射頻開關(guān)經(jīng)分配器把對應(yīng)的輸出功率接入到末級放大器，另一路前級功放組件B路輸出功率直接送到固定的功率負載［6］。雙工開關(guān)原理圖如圖3所示。

圖3 雙工開關(guān)原理圖

當檢測電路檢測到有輸入激勵但沒有輸出信號時，由雙工控制模塊實施保護，在不停機狀態(tài)下使前級放大器組件B自動接入末級電路，前級放大器組件A接入到固定負載，從而使發(fā)射機繼續(xù)正常工作。

雙工控制模塊的功能性原理圖如圖4所示。

圖4 雙工控制模塊功能框圖

雙工控制模塊中的關(guān)鍵器件是EPLD，實現(xiàn)的主要功能有下述三點:

(1)完成數(shù)據(jù)總線的譯碼，實現(xiàn)與檢測控制模塊的硬件連接;

(2)根據(jù)檢測控制模塊的使能要求，完成雙工切換功能和對前級輸入射頻的控制;

(3)實現(xiàn)對雷達總體送來的同步觸發(fā)脈沖進行過脈寬、過工作比檢測，正常時直通，故障時切斷并告警。

在雙工控制模塊設(shè)計中，為提高抗干擾能力，所有的輸入輸出信號全部采用光耦隔離。嵌入在EPLD里面的軟件代碼采用模塊化設(shè)計思想，比如過脈寬/過占空比等常用功能，用VHDL語言編寫并封裝成圖形模塊，方便日后直接調(diào)用，避免重復勞動。

5 交叉接口電路的設(shè)計

輸入輸出通道的接口電路設(shè)計是雙機系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。正常情況下，最終被控終端只有一個，而控制的輸入信號卻有兩個。如何調(diào)度兩個輸入信號來控制一個對象，主要是由控制軟件和外部硬件電路雙重保證的。

控制軟件主要負責工作方式的選擇，是工作在主控制通道還是工作在從控制通道。硬件控制電路采用差分輸出信號方式連接。差分發(fā)送芯片選用DS96F172M，，對應(yīng)差分接收芯片為 DS96F173M。其發(fā)送芯片內(nèi)部邏輯圖如圖5所示，對應(yīng)的真值表如表1所示。

圖5 發(fā)送芯片邏輯功能圖

表1 DS96F172M邏輯真值表

眾所周知，差分信號本身抗干擾能力就很強，該芯片還有一個關(guān)鍵的特點，提供使能控制信號。由表1可以看出，當控制端(Enable引腳)為低電平時，差分芯片輸出的是高阻態(tài)。利用這種功能就很容易實現(xiàn)，當主通道處于工作態(tài)時，控制從通道使其輸出在高阻狀態(tài)，這樣就不會影響對單一終端的控制，反之亦然。

6 主從模塊的自動識別

主從檢測控制模塊、主從雙工控制模塊在電信設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計上完全一樣，可以相互調(diào)換。模塊在身份上的區(qū)別僅僅是靠分機接線備板上設(shè)置的不同初始狀態(tài)來實現(xiàn)的。實際工程中，取信號插座中一位固定引腳接入不同電平值來區(qū)分，主通道是通過一個20 K電阻上拉到+5 V，從通道就直接接到地。系統(tǒng)復位上電啟動后，軟件立即檢測該引腳上輸入信號的狀態(tài)，如果為高電平，配置該板為主控制模塊;若為低電平，就配置為從控制模塊。主從判斷流程圖如圖6所示。

圖6 主從身份識別判斷流程

該設(shè)計方案電路簡單，控制流程也不復雜。以備板插槽的位置來確定主從功能，有利于提高模塊的互換性，減少硬件的備件數(shù)量，同時也統(tǒng)一了應(yīng)用程序，方便軟件維護。

7 監(jiān)控軟件的設(shè)計

VxWorks是美國風河公司1983年推出的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)，以性能高、占用資源小、實時性強著稱。該系統(tǒng)包括了中斷處理、看門狗定時器、消息登錄、內(nèi)存分配、線緩沖和環(huán)緩沖管理、鏈表管理等功能，也支持 ANSI C標準，方便人員編程［7］。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核、卓越的實時性以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，使VxWorks系統(tǒng)在民用、軍工、航天等領(lǐng)域均占有很大的市場份額，被廣泛應(yīng)用于許多高精尖技術(shù)行業(yè)。

嵌入式控制軟件的核心功能是協(xié)調(diào)管控兩套互為熱備份的監(jiān)測控制分機?？刂栖浖墓δ芙嵌瓤梢苑譃槲宕笞鳂I(yè)模塊:開關(guān)控制任務(wù)、數(shù)據(jù)通信任務(wù)、接口管理模塊和其他后臺任務(wù)。具體流程圖如圖7所示。

圖7 軟件控制流程圖

基于VxWorks多任務(wù)優(yōu)先級搶占方式的調(diào)度機制，控制軟件中的幾個任務(wù)在單位時間片上是并發(fā)進行的［8］，每個任務(wù)劃分完成不同的工作需求。下面就四個關(guān)鍵任務(wù)做簡單描述。

開關(guān)控制任務(wù):該任務(wù)的觸發(fā)條件是主控臺的遠程開關(guān)控制指令和本地面板按鍵的控制指令。發(fā)射機收到開機命令后，打開發(fā)射風機，等到風機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，風壓檢測無故障后，打開發(fā)射電源，等電源軟啟完成正常輸出電壓后，打開末級功放組件，檢測雙工狀態(tài)，正常后開前級組件，加發(fā)射定時輸出功率。關(guān)機按反方向進行，待組件溫度降到合理的環(huán)境溫度條件時再關(guān)閉冷卻風機。

數(shù)據(jù)通信任務(wù):該任務(wù)包含CAN通信任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)。對內(nèi)通過CAN總線采用主從問答模式巡檢所有在線設(shè)備的狀態(tài)信息，并將其轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)包格式暫存在內(nèi)存中;對外實時解析雷控命令，并根據(jù)要求完成對發(fā)射機的各種控制，如:開關(guān)機命令、通道切換命令、響應(yīng)查詢命令等。

狀態(tài)巡檢任務(wù):軟件啟動后自動周期性巡檢系統(tǒng)內(nèi)各個采樣點的狀態(tài)信息和故障信息。通過消息機制實時地反饋給其他任務(wù)完成故障連鎖保護功能。

接口管理任務(wù):設(shè)置這個任務(wù)的目的是提高通道切換的實時性，盡量壓縮時間，保證系統(tǒng)故障發(fā)生后能以最快速度切換到備份通道。切換時首先關(guān)閉發(fā)射定時和目前正在工作的前級通道，然后切換開關(guān)到備份通道，最后打開備份前級和發(fā)射定時。

8 結(jié)束語

采用集中管理、分布控制的控制模型，利用兩套硬件上完全相互獨立的監(jiān)控電路，就可以完成功能上互為冗余、互為補充的固態(tài)發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，真正實現(xiàn)雙熱備份功能。此方案可有效提高發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。文中提到的諸多實現(xiàn)方法可以直接應(yīng)用于其他類似產(chǎn)品的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，可節(jié)約大量人力資源和寶貴時間。

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