微波開關壽命試驗設備的測控儀設計

魏　廣，馬少君，陳　聯(lián)，李元明

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州　730000）

微波開關壽命試驗設備的測控儀設計

魏廣，馬少君，陳聯(lián)，李元明

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

主要介紹了微波開關壽命試驗設備中測控儀的設計。測控儀的主要功能是實現(xiàn)對微波開關的控制指令傳送、狀態(tài)遙測參數(shù)采集，對試驗設備的各種真空泵、加熱器進行控制，實現(xiàn)真空室壓力、溫度的采集與控制，并提供相關的人機交互界面，完成非正常情況的保護處理等。測控儀的設計采用了TI公司的DSP組成核心控制單元，實現(xiàn)參數(shù)的實時控制和采集；采用WINCE觸控一體機提供人機交互界面，實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)的接收、顯示、及數(shù)據(jù)存儲。

微波開關壽命試驗；測控儀；壓力控制；溫度控制

0　引言

微波開關壽命試驗設備用于模擬微波開關星上在軌長期貯存過程中的真空環(huán)境條件，采用渦輪分子泵和機械泵機組獲得初始真空度，在長期工作過程中，采用濺射離子泵維持系統(tǒng)真空度。試驗設備可以長時間不間斷工作，具有無污染、無振動、無噪聲的優(yōu)點。微波開關壽命試驗設備的測控儀（簡稱測控儀）是該試驗設備的重要組成部分，測控儀的主要功能是實現(xiàn)對微波開關的遙控指令傳送、狀態(tài)遙測參數(shù)采集，對試驗設備的各種泵、加熱器進行控制，實現(xiàn)真空室壓力、溫度的采集與控制，并提供相關的人機交互界面，完成非正常情況下的保護處理。

1　測控儀的技術要求

測控儀是微波開關壽命試驗設備的關鍵部分，不僅要實現(xiàn)微波開關的遙控、遙測，還要完成試驗設備中各類輔助儀器的自動控制，并提供相關的人機交互界面。

1.1微波開關遙測遙控要求

通過面板上的開關發(fā)送9條微波開關切換指令，指令類型為28 V正脈沖，脈寬可調；面板帶電壓指示和調節(jié)旋鈕；通過面板上的發(fā)光二極管實現(xiàn)對9路開關觸點閉合狀態(tài)的指示，并對該狀態(tài)進行存儲。

1.2輔助儀器測控要求

1.2.1控制對象

控制對象為1臺機械泵、1臺分子泵、1臺濺射離子泵、一路電加熱器。采用繼電器的方式控制3臺泵的電源，通過分子泵和濺射離子泵的控制接口自動控制泵的啟停。儀器具備如下安全保護策略：當系統(tǒng)壓力高于10 Pa時，不能啟動分子泵；當系統(tǒng)壓力高于1×10-3Pa時，不能啟動濺射離子泵。

通過面板開關，控制加熱器的開啟，加熱系統(tǒng)采用反饋控制，溫度信號由鉑電阻傳感器反饋，通過環(huán)帶加熱器實現(xiàn)對環(huán)帶表面的加熱控溫，控溫范圍為50℃±5℃，加熱器供電為交流，電壓可調節(jié)。

測控儀具有聲音報警功能，在濺射離子泵單獨工作時，如果系統(tǒng)壓力高于1×10-3Pa，則自動停止濺射離子泵，啟動聲音報警器，進行壓力超范圍報警；并且測控儀具有斷電隔離功能，當異常斷電后，應使總電源開關處于斷開狀態(tài)，避免來電后設備自動加電。

1.2.2測量對象

測控儀的測量對象為四路溫度信號和一路真空室壓力信號。溫度測量采用鉑電阻傳感器，測量范圍為0～60℃，對所測量的溫度值進行采集顯示；壓力信號由真空計測量給出壓力數(shù)據(jù)，并進行顯示；測控儀能對各路溫度和壓力測量值進行存貯和查詢。

2　測控儀的設計

測控儀采用了由TI公司的DSP芯片組成的運算處理單元，實現(xiàn)微波開關的遙控遙測功能、各種泵的控制和加熱控溫功能；采用工業(yè)級嵌入式觸控一體機提供人機交互界面，該機具有17.8 cm（7寸）高清觸摸屏，完成各種數(shù)據(jù)的顯示及存儲。測控儀組成原理圖如圖1所示。

圖1　測控儀組成原理圖

2.1測控儀電路設計

2.1.1電源設計

采用AC-DC電源，將220 V交流電源轉換為以下3路電源：6～32 V/1 A可調壓的直流穩(wěn)壓電源，供給微波開關線圈發(fā)遙控指令；+12 V/3 A直流穩(wěn)壓電源，供給繼電器等執(zhí)行器件、指示燈以及測量控制電路；-12 V/0.5 A直流穩(wěn)壓電源，供給測量電路。

2.1.2DSP最小系統(tǒng)

采用TI公司的DSP芯片組成核心控制單元，該DSP上集成了DARAM和Flash EEPROM；集成了外部中斷、事件管理器、16位通用定時器、PWM模塊和可編程復用I/O引腳，提供標準的JTAG仿真接口，便于仿真和程序燒寫。由于DSP集成的多種外設，所以該芯片非常適合做本測控儀的主控芯片。在DSP最小系統(tǒng)電路中還設計了硬件看門狗電路，以提高整機程序運行的可靠性。

2.1.3指令電路及脈寬設定電路

在面板提供脈寬設定開關，采用8位二進制撥碼開關，采用通用定時器進行脈寬計時。

通過面板上的開關發(fā)送9條指令，每路指令對應一個按鈕，DSP檢測指令開關狀態(tài)，每按一次按鈕，由DSP擴展IO口發(fā)一次正脈沖。

2.1.4狀態(tài)指示電路和線圈驅動電路

采用發(fā)光二極管對微波開關導通狀態(tài)進行指示，采用三極管對微波開關線圈進行驅動，給線圈提供正脈沖電壓，實現(xiàn)微波開關的切換。三極管電路由DSP最小系統(tǒng)通過接口電路控制。測控儀與微波開關的遙控遙測接口電路如圖2所示。

圖2　測控儀與微波開關的遙控遙測接口示意圖

2.1.5溫度測量電路和加熱控溫電路

采用鉑電阻二線制放大電路對測溫傳感器信號調理后，由DSP的A/D進行采集變換，并上傳到WINCE觸控一體機進行溫度顯示。測溫電路如圖3所示。

圖3　測溫電路和開關控溫電路圖

測控儀DSP系統(tǒng)采集環(huán)帶表面溫度，用I/O口通過固態(tài)繼電器控制加熱器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對環(huán)帶表面的加熱控制。在面板上設置切換開關，可切換控溫模式或常溫模式。溫度控制采用硬件開關控溫方式，用運放比較器電路實現(xiàn)，控溫點通過電位器調節(jié)，電路可靠性高，并在軟件中設置超溫切斷加熱器的保護機制，確保微波開關在控溫異常情況下不被損壞。

2.1.6抽氣機組的控制電路及壓力超差報警電路

測控儀對機械泵、分子泵、濺射離子泵的電源進行控制，用戶可根據(jù)前面板開關手動發(fā)出泵的啟停指令；由DSP通過接口電路讀取前面板開關狀態(tài)，配合壓力情況決定執(zhí)行的相應控制；當壓力超差時，對分子泵、濺射離子泵進行自動斷電保護；當分子泵工作時，不得給機械泵斷電。

DSP接收真空計通訊上傳的壓力數(shù)據(jù)，并判斷壓力是否超差，如果超差，啟動報警裝置進行聲光報警，并啟動對相關泵的保護控制。

2.1.7與WINCE觸控一體機的接口

測控儀與WINCE觸控一體機設計了RS485串行通訊接口，測控儀將試驗設備的相關參數(shù)、各輔助設備的狀態(tài)上傳給WINCE觸控一體機，由WINCE觸控一體機軟件進行數(shù)據(jù)顯示和存儲。

2.2測控儀軟件設計

測控儀內部共有兩個軟件，下位機DSP軟件和上位機WINCE觸控一體機的可視化操作界面軟件。

2.2.1DSP軟件設計

DSP軟件為嵌入式軟件，采用C語言和匯編語言編制。測控儀上電，DSP軟件即開始工作，在程序主循環(huán)中檢測脈寬設定開關，計算相應脈寬值；采集并上傳溫度值；DSP實時接收真空計數(shù)據(jù)，判斷壓力是否超差，如超差啟動報警裝置進行報警，并進行相關保護操作；當檢測到指令鍵盤中斷時，對鍵盤接口進行解析，如果是微波開關遙控指令，則執(zhí)行脈沖指令發(fā)送程序；如果是其他輔助設備指令，則根據(jù)設備安全保護策略，執(zhí)行相關操作；定時向WINCE觸控一體機發(fā)送試驗設備的相關參數(shù)、各輔助設備的狀態(tài)。

2.2.2WINCE觸控一體機軟件設計

WINCE觸控一體機軟件采用Visual Studio 2005設計，實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)的接收、顯示，數(shù)據(jù)存儲采用SQL CE數(shù)據(jù)庫格式存儲在觸控一體機的外接U盤中，歷史數(shù)據(jù)可以通過觸控一體機在線查詢，也可通過U盤拷貝至PC機上進行數(shù)據(jù)分析。

2.3整機結構設計

測控儀整機結構采用鋁合金儀表機箱，外形尺寸為448 mm×127 mm×540 mm，前面板帶安裝耳，尺寸為482 mm×177 mm，測控儀外形照片如圖4（a），WINCE觸控一體機軟件界面如圖4（b），測控儀在微波開關壽命試驗設備上的安裝效果如圖4（c）。

圖4　測控儀及微波開關壽命試驗裝置照片

3　測控儀的應用

測控儀設計完成后，進行了產品的加工制造及調試，經測試，各項功能指標都能滿足微波開關壽命試驗的要求。測控儀隨微波開關壽命試驗設備交付用戶，成功應用于微波開關的壽命驗證試驗，測控儀自動化程度高，人機交互界面合理，操作簡單，使用方便，可實現(xiàn)長期無人值守試驗，目前已累計無故障運行3年多，各項指標正常，試驗仍在進行。

［1］劉和平.TMS320LF240X DSP結構、原理及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［2］李元明，馬少君，魏廣，等.基于DSP和CAN總線的熱功率模擬系統(tǒng)［J］.航天器環(huán)境工程，2010，27（1）:71-74.

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DESIGN OF THE TESTING AND CONTROL APPARATUS FOR EQUIPMENT USED IN MICROWAVE-SWITCH’S LONGEVITY VALIDATION

WEI Guang，MAShao-jun，CHEN Lian，LI Yuan-ming
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou730000，China）

This paper mainly introduced the design of The testing and control apparatus for equipment used in microwave-switch’s longevity validation.The testing and control apparatus can remote control and collect data of microwaveswitch，control vacuum pumps and heaters on the equipment，measure the pressure and temperature in the vacuum，and offer human-computer interface.The testing and control apparatus can also protect the microwave-switch from fault mode. The central processing unit of the apparatus is the DSP system，which achieve all the Real-time control and testing.The human-computer interface is provided by aTouch Control integrative Machine，which can receive and display the data and save them.

Microwave switch’s longevity validation；testing and control apparatus；pressure control；temperature control

TN63

A

1006-7086（2015）01-0056-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.01.013

2014-12-09

魏廣（1980-），男，甘肅省蘭州市人，高級工程師，主要從事空間電子產品及測試設備的研究與開發(fā)。E-mail：xd_wg @163.com。