機載雷達天線測控平臺脈沖檢測板設(shè)計與實現(xiàn)

初曉軍，李大龍

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

機載雷達天線測控平臺脈沖檢測板設(shè)計與實現(xiàn)

初曉軍，李大龍

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

針對某機載雷達天線的BITE檢測問題，提出一種便攜式天線測控平臺設(shè)計方案，基于以嵌入式處理器S3C6410為主控制器，采用專用檢測板卡、通用操作系統(tǒng)、專用檢測軟件的虛擬儀器模式。實際應(yīng)用表明，此平臺通過脈沖檢測板能夠準確快速地檢測出雷達天線的故障。

機載雷達天線；測控平臺；脈沖檢測板

0 引言

某型雷達天線包括掃描器和電子控制放大器（AEC），AEC是掃描器和雷達數(shù)據(jù)處理器之間的接口，首先雷達的數(shù)據(jù)處理器接收到來自雷達操作顯控臺的指令信號，并將指令信號送到AEC，然后，AEC提供伺服信號控制掃描器運動。機載雷達天線測控平臺基于ARM嵌入式處理器、專用檢測板卡、通用操作系統(tǒng)、專用檢測軟件模式的便攜式天線測控思路，既能完成該雷達天線測制，又能滿足部隊轉(zhuǎn)場作戰(zhàn)需求。

圖1 自檢時鐘、地址、應(yīng)答信號時序關(guān)系

如圖1所示，機載雷達天線測控平臺和AEC自檢監(jiān)視板的信號聯(lián)系有3路。自檢地址（BITE ADDRESS）、自檢時鐘（BITE CLOCK）和自檢回答（BITE RELAY）信號，采用查詢和應(yīng)答的工作方式。由機載雷達天線測控平臺提供的AEC 8位串行字的自檢地址和8個自檢時鐘脈沖自檢時鐘；AEC通過自檢應(yīng)答信號，報告AEC和掃描器的工作情況。

1 機載雷達天線測控平臺

機載預(yù)警雷達天線測控平臺采用便攜式箱體結(jié)構(gòu)，采用+28 V和～3φ115 V 400 Hz電源組件供電，采用嵌入式處理器S3C6410、專用檢測板卡、Windows CE操作系統(tǒng)、專用檢測軟件的組成結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)保證了天線系統(tǒng)與測試平臺的高實時性、可靠性、便攜性等功能特點。天線系統(tǒng)測試與控制平臺的功能主要包括掃描器的靜態(tài)測試、AEC+掃描器的動態(tài)測試、平臺校準。

1.1 天線測控平臺硬件

機載雷達天線測控平臺的硬件主要包括ARM嵌入式處理器S3C6410、檢測板卡、電源組件、測試臺操作面板、測試電纜等（圖2）。

圖2 某雷達天線系統(tǒng)測控平臺硬件組成

ARM 11系列中的S3C6410處理器采用了64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，還包括許多強大的硬件加速器，ARM Core電壓在1.2 V的情況下可以運行到667 MHz，能使整個檢測過程處理迅速、準確。該檢測平臺支持USB2.0 OTG高速（480 MBPS），提高了測控平臺以USB作為通信總線的數(shù)據(jù)傳輸效率。

天線系統(tǒng)測控平臺需要模擬、處理、測試同步器信號、方位轉(zhuǎn)速信號、自檢信號、開關(guān)量信號等大量信號。專用檢測板卡主要有同步機板、高速AD板、高速IO板、繼電器板、脈沖檢測板、開關(guān)隔離量輸入板、信號調(diào)理板。檢測板是天線系統(tǒng)測試與控制平臺中至關(guān)重要的一部分，提供被測設(shè)備掃描器和電子控制放大器需要的各種信號，完成被測設(shè)備激勵環(huán)境的建立，并采集相應(yīng)掃描器和電子控制放大器設(shè)備的工作狀態(tài)，完成不同的測試與控制。數(shù)據(jù)采集檢測板由FPGA，CPLD或單片機完成底層信號處理工作，操作實時性強。檢測板卡的通信和控制均由主控制器處理器通過USB總線完成，板卡之間的通信也是通過USB總線實現(xiàn)的。這種通信方式避免了ISA，PC I總線復(fù)雜的主機底板和眾多的總線接口的復(fù)雜性，同時減小了整個系統(tǒng)的體積，提高了其便攜性。

1.2 天線測控平臺軟件

機載雷達天線測控平臺的軟件基于能作為一種嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)控制等領(lǐng)域的Windows CE操作環(huán)境；采用用戶應(yīng)用層、測試管理層、物理層等層次結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 機載雷達天線測控平臺的軟件結(jié)構(gòu)

檢測軟件工作過程為用戶應(yīng)用層顯示檢測界面，接收到用戶發(fā)送的控制命令后，測試管理層向板卡提供指令和信號生成的有關(guān)數(shù)據(jù)。然后物理驅(qū)動層主要完成各種檢測板卡的打開、關(guān)閉、初始化、設(shè)定數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)等的具體操作與控制，同時檢測板卡將檢測結(jié)果回送到測試管理層，最終顯示到用戶應(yīng)用層的有關(guān)檢測界面上。

用戶應(yīng)用層軟件包括系統(tǒng)的主界面、系統(tǒng)自檢、初始化、測試選擇界面、檢測及結(jié)果顯示界面等模塊，顯控測試程序采用Lab Windows/CVI開發(fā)，采用菜單、按鈕等提示形式，具有良好的人-機接口界面。

測試管理層包括測試流程高層指令模塊和底層命令模塊。它起著中間通信的作用。該層軟件采用Embedded Visual C++編寫，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)和各板卡的單片機、FPGA之間的信息交聯(lián)。測試管理軟件向板卡提供指令和信號生成的有關(guān)數(shù)據(jù)；同時板卡將檢測結(jié)果回送到測試管理層，最終顯示到用戶應(yīng)用層的有關(guān)檢測界面上。

物理驅(qū)動層主要包括USB HUB驅(qū)動、USB驅(qū)動動態(tài)連接庫、各板卡物理驅(qū)動程序和調(diào)理/切換板驅(qū)動程序等。它集成了板卡和計算機USB通信的應(yīng)用層協(xié)議，是一個接口應(yīng)用層程序集，主要完成各種板卡的打開、關(guān)閉、初始化、設(shè)定數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)等的具體操作與控制。

2 脈沖檢測板硬件設(shè)計

機載雷達天線測控平臺中脈沖檢測板提供自檢地址（BITE ADDRESS）、自檢時鐘（BITE CLOCK）脈沖；同時對自檢回答（BITE RELAY）脈沖解碼，板卡如圖4所示。

圖4 脈沖檢測板

脈沖檢測板采用Silicon Labs公司的C8051F206型號單片機作為板卡的主控制器。脈沖檢測板采用FT245R USB通信芯片，F(xiàn)T245R是FTDI(Future Technology Devices Intl Ltd)公司推出的一種快速USB專用通信接口芯片，可以實現(xiàn)USB和FIFO并行接口之間的數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)換FT245R是FTDI公司生產(chǎn)的一款可進行USB和并行I/O口協(xié)議轉(zhuǎn)換的芯片，此芯片適合將的并口轉(zhuǎn)化為USB串口，從而實現(xiàn)與測試平臺中心的數(shù)據(jù)通信（圖5）。自檢信號電路的設(shè)計（圖6）。

圖5 USB接口硬件電路

圖6 自檢電路圖

自檢時鐘、地址電路中的CLK，ADD端分別和單片機C8051F206的輸出端P1.4，P1.5引腳相連，自檢應(yīng)答信號REPLAY接P0.3端作為外部INTI中斷的控制信號。在后軟件設(shè)計時會介紹到由軟件控制單片機P1.4，P1.5引腳高低電平的輸出頻率，進而形成自檢時鐘、自檢地址脈沖。自檢時鐘、地址電路中的74LV14是一個反相器，當CLK電平為低電平0時，經(jīng)過取反電路即TLP701光耦的D-輸入端為高電平，此時光耦TLP107不導(dǎo)通，輸出為低電平。當CLK電平為高電平1時，光耦導(dǎo)通，輸出為-15 V，自檢地址信號ADD的電路和自檢時鐘CLK電路的原理相似。自檢應(yīng)答電路中的REPLY_IN信號是從電子控制放大器自檢監(jiān)視版反饋回來的自檢應(yīng)答信號，經(jīng)過分壓電路形成單片機引腳端口I/O容許5 V的輸入信號電壓，當有自檢脈沖反饋時，REPLY信號作為P0.3端的輸入為高電平，否則為低電平。

3 脈沖檢測板軟件設(shè)計

脈沖檢測板的軟件設(shè)計基于Silicon Laboratories ID E+ Keil uV i2s ion3開發(fā)環(huán)境。脈沖檢測板軟件的主函數(shù)流程如圖7所示。

由C語言的特性可知，脈沖檢測板軟件的整個運行流程由主函數(shù)main函數(shù)來控制，整個軟件的設(shè)計是基于模塊化，針對要實現(xiàn)的不同的功能編寫相應(yīng)的函數(shù)模塊。系統(tǒng)軟件的設(shè)計思想是采用C語言模塊化編程，結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)，按功能進行模塊化。各模塊相對獨立，便于調(diào)試、調(diào)用，同時，充分利用所選芯片的特點，進行程序的編寫，從而滿足系統(tǒng)低功耗的要求[6]。

圖7 主函數(shù)流程圖

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)的初始化由設(shè)備初始化函數(shù)Device_Init（）來實現(xiàn)，在軟件的設(shè)計過程時便于函數(shù)管理，將Device_Init()初始化函數(shù)作為初始化模塊。Device_Init（）函數(shù)包括振蕩器初始化Oscillator_Init（）、端口初始化Port_IO_Init（）、定時器初始化Timer_Init（）、中斷初始化Interrupts_Init()、變量初始化Val_Init（）函數(shù)。Oscillator_Init（）函數(shù)用于選擇系統(tǒng)時鐘，在前面硬件電路設(shè)計時提到為了保證脈沖檢測板系統(tǒng)時鐘的準確性、精度性，采取外部24 M晶振時鐘作為系統(tǒng)時鐘。需要注意的是由C8051F206單片機中文手冊中知道當外部晶體振蕩器運行并穩(wěn)定后，晶體振蕩器有效標志（寄存器OSCXCN中的XTLVLD）被硬件置‘1’。XTLVLD檢測電路需要在使能振蕩器和檢測XTLVLD位之間至少有1 ms的建立時間。所以O(shè)scillator_Init()函數(shù)函數(shù)實現(xiàn)的功能是等待1ms切換到外部振蕩器，在外部振蕩器穩(wěn)定之前就切換到外部振蕩器可能導(dǎo)致不可預(yù)見的后果。

3.2 中斷模塊

根據(jù)脈沖檢測板要生成的自檢信號、速度信號、俯仰信號的特點，其軟件中斷模塊主要包括定時器0、定時器1、定時器2及外部中斷INT1。這些中斷主要用來實現(xiàn)自檢信號、速度信號的模擬。定時器0、定時器1、外部中斷INT1用來自檢時鐘、自檢地址、自檢應(yīng)答的時序控制。定時器2用于速度脈沖信號頻率的控制。在這里就重點介紹下自檢信號的實現(xiàn)原理，這也是軟件設(shè)計過程中的難點。

脈沖檢測板所模擬的自檢時鐘脈沖的頻率為0.2 ms，8個脈沖為1組，自檢地址是8個串行字，每1字對應(yīng)1個周期的自檢時鐘，前4個串行字是0101固定不變，后4個根據(jù)自檢的內(nèi)容而變，12組自檢地址分別是01010000依次到01011100。當雷達天線系統(tǒng)接收雷達天線系統(tǒng)測試平臺發(fā)送的自檢時鐘、自檢地址信號時，會對進行相應(yīng)的自檢，混合信號系統(tǒng)并將接收的自檢結(jié)果反饋給上位機，正常則有脈沖，不正常則無脈沖，邏輯0自檢除外。

由自檢信號的特點，采取用定時器0、定時器1、外部中斷來實現(xiàn)自檢時鐘、自檢地址信號的生成并接收相應(yīng)的自檢應(yīng)答信號。自檢時鐘的脈沖周期為0.2 ms，一個脈沖包括一高一低電平即高低電平持續(xù)時間為0.1 ms，那么T0的工作時間要為0.1 ms，定時器T0為16位計數(shù)器模式，若計數(shù)值超過0XFFFF則會溢出，則會進入定時器T0中斷。根據(jù)T0定時器的時鐘頻率為24 M，可設(shè)定定時器T0的初值為0XF69F，來實現(xiàn)自檢時鐘、自檢地址信號的生成。

由前面單片機控制電路中可以看到P0.3端口INT1接來自反饋回來的自檢應(yīng)答信號，外部中斷1是由自檢應(yīng)答信號觸發(fā)的，即有反饋的自檢應(yīng)答脈沖高電平時跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。定時器1的工作時間為24 ms，它主要是對反饋自檢應(yīng)答信號的超時處理，如果過了24 ms還未有接收到自檢應(yīng)答脈沖，則就默認無自檢應(yīng)答脈沖即自檢未通過。定時器0的部分程序代碼如下，從中可以看到自檢時鐘、自檢地址實現(xiàn)的原理，當j=17時，此時將自檢應(yīng)答標志reply_flag置1表示自檢地址、自檢時鐘已經(jīng)發(fā)送，開啟定時器1和外部中斷是對接收自檢應(yīng)答信號進行響應(yīng)。

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊

脈沖檢測板軟件的數(shù)據(jù)通信模塊包括讀USB數(shù)據(jù)Read_USB（）、寫USB數(shù)據(jù)Write_USB（）函數(shù)。讀USB數(shù)據(jù)Read_USB（）是通過FT245R USB接口芯片將緩沖區(qū)中的指令數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱CC8051F206，寫USB數(shù)據(jù)Write_USB（）是將單片機端口反饋的命令數(shù)據(jù)寫到FT245R USB的緩沖區(qū)中。由前面FT245R USB接口芯片電路可知FT245R芯片的接收緩沖區(qū)非空標志RXF、發(fā)送緩沖區(qū)空標志TXF端、讀寫控制RD#、WR與單片機C8051F206的P3.4，P3.5，P3.6，P3.7端相連，作為讀寫USB數(shù)據(jù)的控制信號。讀寫操作函數(shù)原理主要是根據(jù)FT245R的讀寫時序[7]。

3.4 命令處理模塊

混合信號系統(tǒng)軟件中的數(shù)據(jù)處理模塊是根據(jù)USB讀取的數(shù)據(jù)判斷該指令是什么指令，根據(jù)相應(yīng)的指令進入相應(yīng)的處理模塊。這一功能主要由命令處理函數(shù)Data_Dispose（）來完成，在前面主函數(shù)的流程圖中，看到其中調(diào)用主要是命令處理函數(shù)Data_Dispose（），其在根據(jù)讀取的USB數(shù)據(jù)來判斷是什么指令就進入相應(yīng)的指令響應(yīng)模塊。

4 結(jié)束語

便攜式機載雷達天線測控平臺的脈沖檢測板，通過提供自檢時鐘、自檢地址，對自檢應(yīng)答脈沖解碼，能快速地檢測天線系統(tǒng)的故障，并能將故障隔離到組件或插件上，具有可靠、準確、快速、便捷等優(yōu)點。解決了原來進口的測試臺不能滿足部隊作戰(zhàn)轉(zhuǎn)場的難題，該測試與控制平臺適合應(yīng)用于對體積和功能都有較高要求的某型雷達天線系統(tǒng)的檢測診斷。

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[6]初曉軍編著.XX雷達設(shè)備[M].青島：海軍航空工程學(xué)院青島分院出版，2005：67-137.

[7]Labwindows/CVIProgrammerReferenceManual[Z].National Instrument Corporation，2005：24-23.

〔編輯 利文〕

TN957.2

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.48