基于ARM和FPGA協(xié)同的高可靠性雷達(dá)雙機(jī)冗余伺服系統(tǒng)

（南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，南京 211106）

0 引言

航空運(yùn)輸安全保障通常要求天氣雷達(dá)24小時(shí)不間斷或者允許短間斷運(yùn)行，這對(duì)雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)有著高可靠性、高強(qiáng)度、高環(huán)境適應(yīng)性等要求[1]。因此，伺服系統(tǒng)常采用冗余設(shè)計(jì)的方式。在現(xiàn)有的雷達(dá)伺服冗余方案中，航管二次雷達(dá)大多采用雙機(jī)熱備[2]，即雙電機(jī)雙驅(qū)動(dòng)器冗余配置，通過(guò)PLC或PCC實(shí)現(xiàn)熱切換[3]。但二次雷達(dá)只有方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，該方案需要復(fù)雜的機(jī)械或電磁離合裝置，在通常為雙軸的氣象雷達(dá)上實(shí)施將大大增加設(shè)備量和系統(tǒng)成本，未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用。胡芳芳等人[4]所采用的是繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，內(nèi)部全部電纜導(dǎo)線連接，布線量大，無(wú)智能化控制、反饋和BIT（機(jī)內(nèi)自測(cè)試）功能，切換過(guò)程不區(qū)分大小信號(hào)，缺乏足夠的保護(hù)機(jī)制，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中一旦出現(xiàn)問(wèn)題則難以診斷和排查。

以機(jī)場(chǎng)天氣雷達(dá)為例，可靠性瓶頸點(diǎn)不在天線座電機(jī)和角碼反饋環(huán)節(jié)，主要存在于室內(nèi)伺服分機(jī)，尤其是電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器部分[5]。本文采用混合冗余配置，即天線座設(shè)備為單機(jī)，伺服分機(jī)為雙機(jī)冗余的方案，在不大幅提高系統(tǒng)復(fù)雜度和成本的前提下，在很大程度上提升系統(tǒng)的可靠性。

1 雙機(jī)冗余系統(tǒng)組成

圖1 雙機(jī)冗余系統(tǒng)

如圖1所示，伺服系統(tǒng)由兩套相同的伺服分機(jī)A和伺服分機(jī)B（命名為A機(jī)和B機(jī)）、一套雙機(jī)冗余切換控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“切換控制系統(tǒng)”）以及一套天線座設(shè)備組成。對(duì)于單機(jī)來(lái)說(shuō)，伺服主控單元接收到來(lái)自相對(duì)應(yīng)上位機(jī)（通常為數(shù)據(jù)處理機(jī)）的工作模式指令，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令到方位和俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使天線按要求運(yùn)動(dòng)；同時(shí)主控單元接收天線角編碼數(shù)據(jù)和天線座控保信號(hào)，分別發(fā)送給信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理，通過(guò)顯控單元顯示當(dāng)前的天線控制狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)本控人機(jī)交互。

兩套伺服系統(tǒng)完全等同且獨(dú)立，同一時(shí)刻只有一個(gè)分機(jī)參與控制工作，所有的控制和功率信號(hào)都由該分機(jī)發(fā)出和接收，即“在線”，而另一臺(tái)不參與控制工作的狀態(tài)為“離線”。兩套伺服分機(jī)只要有一套正常工作，就可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)伺服控制功能。當(dāng)兩個(gè)分機(jī)均處于正常狀態(tài)下，可以通過(guò)人工進(jìn)行切換，由數(shù)據(jù)處理對(duì)當(dāng)前的“離線”方發(fā)出“在線”指令，在切換控制系統(tǒng)的流程配合下，等待另一方“離線”完成后，自動(dòng)將自身切換為“在線”狀態(tài)。當(dāng)其中一個(gè)正常工作的分機(jī)出現(xiàn)故障后，可以由該分機(jī)自動(dòng)發(fā)起切換流程，將自身“離線”，并通知對(duì)方“在線”。

2 硬件架構(gòu)

在硬件架構(gòu)的設(shè)計(jì)上，充分考慮系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。整個(gè)雙機(jī)冗余切換由伺服分機(jī)內(nèi)的主控單元和切換控制系統(tǒng)的主控單元相互協(xié)同實(shí)現(xiàn)。伺服主控單元負(fù)責(zé)整個(gè)伺服算法和與各個(gè)外設(shè)及分系統(tǒng)的接口，主控芯片選擇基于C語(yǔ)言編程的ARM處理器，便于算法的實(shí)現(xiàn)。切換控制系統(tǒng)的主控單元一方面要完成各個(gè)繼電器回路的切換時(shí)序等相對(duì)固化的邏輯控制，可靠性要求很高；另一方面需要進(jìn)行智能化的BIT檢測(cè)并與伺服分機(jī)通信，具有相對(duì)靈活性。因此，其主控芯片選擇可運(yùn)行IP軟核的FPGA芯片。整體的硬件架構(gòu)如圖2所示，其中切換控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)是本文的研究重點(diǎn)。

切換控制系統(tǒng)由一塊基于FPGA的板載繼電器組PCB，大功率接觸器，以及輔助元件安裝于控制插箱內(nèi)，各個(gè)功能單元的組成和功能如下：

1）主控單元：主要由FPGA構(gòu)成處理核心，采用Altera公司的Cyclone第四代FPGA芯片EP4CE10F17C8N，通過(guò)接口單元接收來(lái)自伺服分機(jī)的切換指令，通過(guò)光耦電路向功率信號(hào)切換單元和小信號(hào)切換單元發(fā)送切換控制信號(hào)并接收各路狀態(tài)反饋，并通過(guò)接口單元向兩個(gè)分機(jī)反饋當(dāng)前狀態(tài)和BIT。從FPGA片內(nèi)結(jié)構(gòu)規(guī)劃上，對(duì)于功率信號(hào)切換和小信號(hào)切換單元的控制，屬于邏輯控制，采用硬件描述語(yǔ)言將其固化在片內(nèi)LEs中，形成硬件化的切換控制，保證高度的可靠性。與接口單元涉及到通信協(xié)議和BIT檢測(cè)方式等需要靈活處理的軟件化管理，采用在Nios II軟核上用C語(yǔ)言進(jìn)行用戶自定義的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)編寫(xiě)。

圖2 雙機(jī)冗余系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2）功率信號(hào)切換單元：由4路功率繼電器帶動(dòng)4路三相交流接觸器，實(shí)現(xiàn)功率級(jí)即電機(jī)的切換。對(duì)于一個(gè)控制切換回路，如方位回路，對(duì)應(yīng)的A機(jī)和B機(jī)功率接口接入切換單元，輸出一路功率接口接入方位電機(jī)。功率繼電器采用周期性脈沖驅(qū)動(dòng)，從而大幅降低線圈吸合電流，延長(zhǎng)工作壽命，提高系統(tǒng)可靠性。每1路功率繼電器輸出控制1個(gè)交流接觸器線圈，并獲得該路接觸器輔助觸點(diǎn)的反饋。更進(jìn)一步地，除了在FPGA的控制輸出上保證不會(huì)出現(xiàn)兩路同時(shí)導(dǎo)通外，還利用交流接觸器的輔助觸點(diǎn)構(gòu)成硬件互鎖，確保不出現(xiàn)A機(jī)和B機(jī)的功率接口同時(shí)接入方位電機(jī)導(dǎo)致嚴(yán)重故障的情形。

3）小信號(hào)切換單元：由驅(qū)動(dòng)IC帶動(dòng)微型繼電器，實(shí)現(xiàn)小信號(hào)（如電機(jī)旋變信號(hào)和電機(jī)抱閘信號(hào)）的切換，包含20路模擬信號(hào)和4路直流信號(hào)。對(duì)于一個(gè)控制切換回路，對(duì)應(yīng)的A機(jī)和B機(jī)小信號(hào)接口接入切換單元，輸出一路小信號(hào)接口接入方位電機(jī)。信號(hào)切換采用歐姆龍G6SU-2磁保持繼電器，驅(qū)動(dòng)IC均采用BL8023D，每個(gè)繼電器為雙刀雙擲，其中1路做輸出，另一路做狀態(tài)反饋，F(xiàn)PGA到驅(qū)動(dòng)IC，以及反饋信號(hào)到FPGA之間都經(jīng)過(guò)光耦隔離。磁保持繼電器提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動(dòng)采用周期性脈沖驅(qū)動(dòng)，A、B的輸入狀態(tài)每隔200ms刷新一次，驅(qū)動(dòng)脈沖寬度為100ms，脈沖與脈沖之間間隔為100ms，如圖3所示。

圖3 磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)脈沖

4）接口單元：通過(guò)接口芯片AM26C32獲取伺服分機(jī)的2路RS422差分切換控制信號(hào)，分別代表A機(jī)離線/在線和B機(jī)離線/在線，將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端電平并傳遞給主控FPGA，同時(shí)將FPGA給出的單端信號(hào)通過(guò)接口芯片AM26C31轉(zhuǎn)化為RS422差分信號(hào)，向伺服分機(jī)反饋當(dāng)前兩個(gè)分機(jī)的在線/離線狀態(tài)，并通過(guò)RS422串口與伺服分機(jī)通信反饋?zhàn)陨淼腂IT故障信息。

3 軟件實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)驗(yàn)證

冗余系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)上包含兩套完全相同的伺服分機(jī)的ARM軟件和切換控制系統(tǒng)的FPGA邏輯程序。切換控制系統(tǒng)內(nèi)部，兩個(gè)分機(jī)之間，以及分機(jī)與切換控制系統(tǒng)之間的協(xié)同工作流程，是本文的重點(diǎn)研究對(duì)象。

3.1 切換控制系統(tǒng)FPGA軟件實(shí)現(xiàn)

在片內(nèi)LEs實(shí)現(xiàn)的硬件邏輯如下：

1）接口單元通過(guò)硬件獲取切換分機(jī)的兩路切換控制指令，A_CMD和B_CMD，分別代表A機(jī)離線/在線和B機(jī)離線/在線的控制指令；為了避免線路干擾導(dǎo)致切換錯(cuò)誤， FPGA采取多次定時(shí)采樣后確認(rèn)并鎖定輸入；

2）FPGA每隔規(guī)定時(shí)間讀取由微型繼電器反饋的狀態(tài)信號(hào)，多次采樣鎖定反饋狀態(tài)，并且傳遞給內(nèi)部的BIT；

3）FPGA每隔規(guī)定時(shí)間讀取由接觸器輔助觸點(diǎn)反饋的“在線/離線”信號(hào)，其中，A機(jī)2路（分別為方位和俯仰回路），B機(jī)2路（分別為方位和俯仰回路），對(duì)于A機(jī)或B機(jī)來(lái)說(shuō)，必須2路為相同狀態(tài)才認(rèn)為信號(hào)有效，多次采樣并鎖定反饋狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)接口單元輸出2路差分信號(hào)A_FBK，B_FBK作為狀態(tài)反饋給兩個(gè)伺服分機(jī)，A機(jī)和B機(jī)均可獲取兩個(gè)分機(jī)的狀態(tài)；

4）FPGA根據(jù)當(dāng)前的控制命令，進(jìn)行相應(yīng)離線或者切換動(dòng)作。其中，切換的動(dòng)作為：先同時(shí)切換小信號(hào)繼電器至在線一方，并檢測(cè)全部信號(hào)的反饋已切換完畢之后，“在線”指令對(duì)應(yīng)的接觸器得電，同時(shí)相應(yīng)的接觸器反饋信號(hào)接入FPGA。

同時(shí)在IP庫(kù)中調(diào)用Nios II處理器，掛載到32位Avalon總線上，利用軟核進(jìn)行自檢測(cè)和故障上報(bào)，即BIT功能：

1）任意一個(gè)微型繼電器的反饋與給定邏輯不一致，并且長(zhǎng)達(dá)給定的時(shí)間后，強(qiáng)制A機(jī)、B機(jī)離線，BIT報(bào)故障；

2）任意一個(gè)功率繼電器對(duì)應(yīng)的接觸器的反饋與給定不一致，并且長(zhǎng)達(dá)給定的時(shí)間后，強(qiáng)制A機(jī)、B機(jī)離線，BIT報(bào)故障；

3）當(dāng)2路切換控制指令均為“在線”(A_CMD=1，B_CMD=1)，并且長(zhǎng)達(dá)給定的時(shí)間后，強(qiáng)制A機(jī)、B機(jī)離線，BIT報(bào)故障。

3.2 協(xié)同軟件實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)工作邏輯的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)雙機(jī)切換功能需要伺服分機(jī)（ARM）與切換分機(jī)（FPGA）協(xié)同工作來(lái)實(shí)現(xiàn)。三種典型場(chǎng)景分布以及具體實(shí)施過(guò)程如下：

場(chǎng)景1：A機(jī)和B機(jī)均正常，且均處于離線狀態(tài)。當(dāng)A機(jī)接收到數(shù)據(jù)處理的“在線”指令，并且通過(guò)控制切換系統(tǒng)的反饋檢測(cè)到B機(jī)為“離線”，則A機(jī)發(fā)出A_CMD=1給切換控制系統(tǒng)，切換系統(tǒng)先后將小信號(hào)繼電器和功率繼電器切換至A機(jī)側(cè)，當(dāng)A機(jī)檢測(cè)到反饋為A_FBK=1時(shí)，A機(jī)啟動(dòng)（加使能）正常投入工作。

場(chǎng)景2：A機(jī)和B機(jī)均正常，A機(jī)處于在線工作狀態(tài)，B機(jī)離線。有如下兩種情形：

1）當(dāng)A機(jī)接收到數(shù)據(jù)處理的“離線”指令，A機(jī)停機(jī)，去使能，然后A機(jī)發(fā)出A_CMD=0給切換控制系統(tǒng)，進(jìn)行A機(jī)離線動(dòng)作，這種情形A機(jī)不主動(dòng)通知B機(jī)在線；

2）當(dāng)B機(jī)接收到數(shù)據(jù)處理的“在線”指令，通過(guò)之間的互聯(lián)總線發(fā)送指令通知A機(jī)離線，A機(jī)接收到指令后發(fā)出A_CMD=0給切換控制系統(tǒng)，進(jìn)行A機(jī)離線動(dòng)作；當(dāng)B機(jī)檢測(cè)到A機(jī)的狀態(tài)反饋A_FBK=0后，發(fā)出B_CMD=1給切換控制系統(tǒng)進(jìn)行切換動(dòng)作，使得B機(jī)在線，當(dāng)B機(jī)檢測(cè)到B機(jī)的狀態(tài)反饋B_FBK=1后，B機(jī)啟動(dòng)（加使能）正常投入工作。

場(chǎng)景3：A機(jī)處于在線工作狀態(tài)，B機(jī)離線，此時(shí)A機(jī)自身發(fā)生故障，A機(jī)停機(jī)，去使能，然后A機(jī)發(fā)出A_CMD=0給切換控制系統(tǒng)，進(jìn)行A機(jī)離線動(dòng)作，當(dāng)A機(jī)檢測(cè)到A機(jī)的狀態(tài)反饋A_FBK=0后，通過(guò)互聯(lián)總線發(fā)送指令通知B機(jī)在線，B機(jī)接收到指令后發(fā)出B_CMD=1給切換控制系統(tǒng)進(jìn)行切換動(dòng)作，使得B機(jī)在線，當(dāng)B機(jī)檢測(cè)到B機(jī)的狀態(tài)反饋B_FBK=1后，B機(jī)啟動(dòng)（加使能）正常投入工作。

3.3 實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

采用2套相同的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（含ARM伺服主控板+科爾摩根AKD-00606伺服驅(qū)動(dòng)器）和1套切換控制系統(tǒng)（含F(xiàn)PGA切換控制板和交流接觸器）對(duì)應(yīng)1套天線座設(shè)備（含科爾摩根AKM33伺服電機(jī)和BCE38BS6型絕對(duì)值編碼器），通過(guò)電纜連接組成雙機(jī)冗余伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 雙機(jī)冗余伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

測(cè)試過(guò)程分為主動(dòng)切換和被動(dòng)切換?，F(xiàn)令A(yù)機(jī)以PPI模式（即按給定速度連續(xù)掃描）工作，B機(jī)離線。主動(dòng)切換測(cè)試中，將A機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器電機(jī)反饋插頭拔掉，人為制造A機(jī)故障。被動(dòng)切換測(cè)試中，在數(shù)據(jù)處理機(jī)中向B機(jī)發(fā)送“在線”指令。經(jīng)過(guò)多次重復(fù)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，切換觸發(fā)后，均能夠順利實(shí)現(xiàn)A機(jī)停機(jī)、去使能、離線之后，B機(jī)小信號(hào)和功率信號(hào)先后切換，在線、加使能，并接管A機(jī)的工作模式實(shí)現(xiàn)PPI，切換過(guò)程柔性化，BIT反饋正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用混合冗余配置，提出并研究一種基于ARM和FPGA協(xié)同的雷達(dá)伺服雙機(jī)冗余切換控制系統(tǒng)，在討論了其系統(tǒng)組成、硬件架構(gòu)、軟件流程后，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了功能驗(yàn)證。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上以高可靠性硬件為基礎(chǔ)，結(jié)合嚴(yán)密的軟件邏輯實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)靈活的BIT反饋使故障排查可視化，大大降低后期維護(hù)成本，可推廣應(yīng)用至高可靠性要求的機(jī)場(chǎng)天氣雷達(dá)系統(tǒng)和其他有相關(guān)要求的雷達(dá)系統(tǒng)中。