固態(tài)發(fā)射機的控制和保護系統(tǒng)的設計

　　【摘　要】　論述了固態(tài)發(fā)射機的控制和保護系統(tǒng)的設計方法，介紹了VFD模塊的基本使用方法，以及它在發(fā)射機顯示中的應用。
??? 關鍵詞：固態(tài)發(fā)射機，VFD模塊，控制和保護
　　
1　引　言
　　雷達發(fā)射機技術不斷發(fā)展，固態(tài)發(fā)射機以其獨特的優(yōu)越性廣泛地為各種雷達所采用。固態(tài)發(fā)射機采用了全固態(tài)晶體管作為放大器，這種器件由于電壓低，比較真空管發(fā)射機來說有很高的可靠性，其主要特點是實現了發(fā)射機系統(tǒng)的模塊化設計，提高了發(fā)射機的可靠性和可維護性。由于采用了多個固態(tài)放大器功率組件合成大功率輸出，個別固態(tài)放大器功率組件發(fā)生故障對整個發(fā)射輸出功率無影響，使整個發(fā)射系統(tǒng)仍能工作。
　　固態(tài)發(fā)射機由大量的固態(tài)放大器功率組件和開關電源構成，其數量根據發(fā)射機功率的需要，少則幾個，多則可達幾千個，一旦某一功率組件或開關電源損壞，要求發(fā)射機的控制和保護系統(tǒng)能迅速準確判斷故障位置，以往由數碼管單一顯示故障位號和故障總數，并且當數碼管少時功率組件和開關電源要分開顯示或輪流顯示，軟硬件設計都比較煩瑣，現在采用VFD模塊作為顯示屏，VFD模塊是真空熒光屏，顯示容量大，亮度高，接口簡單，軟硬件設計都比較簡單方便，可靠性高，且價格低，降低成本。
2　控制和保護系統(tǒng)硬件
　　控制和保護系統(tǒng)不但要實現對發(fā)射機的開關機控制，故障信號的采集和快速保護，關鍵參數的采
集，工作狀態(tài)顯示，故障顯示等功能，還必須能與雷達主控臺進行通訊，具有遙控功能和與主控臺的信息交換功能。因此，雷達發(fā)射機的控制和保護系統(tǒng)是非常重要的，要求能對故障響應迅速且有效地保護發(fā)射機。系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示。該控制和保護系統(tǒng)選用了51系列單片機作核心器件，系統(tǒng)由51系列微處理電路、接口電路、VFD顯示模塊及通訊控制接口等組成。當固態(tài)發(fā)射機的功放組件、電源組件等發(fā)生故障時，該控保系統(tǒng)一是能迅速、直觀地指示出固態(tài)雷達發(fā)射機的具體故障的發(fā)生位置，二是完成與雷達主控臺的通訊聯絡。

3　控制和保護系統(tǒng)在固態(tài)發(fā)射機中的具體設計
　　下面以某有源相控陣雷達固態(tài)發(fā)射機的控制和保護系統(tǒng)為例，說明整個控制和保護系統(tǒng)的設計。
3．1　控制和保護系統(tǒng)的硬件設計
　　該發(fā)射機控制和保護系統(tǒng)檢測固態(tài)功率組件N個，開關電源組件N個，還需檢測輸出總功率低，輸出駐波大，前級脈沖過寬和過工作比故障，冷卻故障，前級放大器A路和B路是否工作正常。該系統(tǒng)由一塊CPU控制板，兩塊接口板，一塊雙工控制板組成。接口板數量還可以根據具體情況增加。工作原理框圖見圖2。
　　其檢測量大，要求速度快，實時性強為了解決高速通用與設備量之間的矛盾，選用大規(guī)模數字信號處理芯片EPLD作為故障處理的核心。
　　CPU控制板由51系列單片機、EPLD和通訊芯片組成。EPLD具體完成譯碼、片選、分頻和數據鎖存等功能。具體工作過程為：故障信息采集后，用光耦隔離后再送入EPLD的I／O接口，后經I／O接口送給51系列單片機，經單片機處理后把所需顯示的數據經EPLD的I／O接口送入VFD模塊顯示。雙工控制板主要完成發(fā)射機的兩路前級放大器的自動轉換功能，當檢測到一路前級放大器發(fā)生故障時自動轉到另一路工作。通訊部分接收主控臺的開關機命令，上報發(fā)射機的工作狀態(tài)和全部故障信息。
　　實際使用VFD模塊時，可以檢測VFD模塊的BUSY信號，也可以不檢測BUSY信號，加100ns延時，同樣可以使VFD模塊正確顯示所需內容。VFD模塊的顯示亮度可以根據實際需要用軟件來進行選擇。
3．2　控制和保護系統(tǒng)的軟件設計
　　下面以某型號固態(tài)發(fā)射機的控制和保護系統(tǒng)軟件設計為例來加以說明。圖3為程序流程框圖。當控制和保護系統(tǒng)上電工作時，先對VFD模塊進行初始化，定義其工作初態(tài)：復位、光標不顯示、選擇所顯示字符類型。然后把定義發(fā)射機的故障位號和總數量等固定字符放在指定位置，接著進行發(fā)射機故障和工作狀態(tài)巡檢，檢測到的冷卻故障、天線駐波故障和過脈寬、過工作比故障、雙工控制器A路、B路工作狀態(tài)可以用特殊字符來顯示。發(fā)射機工作時，讀取發(fā)射功放組件和電源組件的狀態(tài)，若有故障，則在控制分機的VFD模塊上用數字顯示功放組件和電源組件的故障總數和故障位號?？刂坪捅Ｗo系統(tǒng)對發(fā)射機起的控制作用如下：檢測到冷卻故障、天線駐波故障和過脈寬、過工作比故障時，迅速切斷激勵信號，保護發(fā)射機；控制發(fā)射機的前級放大器，當檢測到無激勵信號時，使雙工控制器保持在A路工作，當有激勵信號且A路故障時，自動切換到B路工作。以上控制保護發(fā)生時，控保護系統(tǒng)除顯示故障信息外，還將故障信息上報主控臺，保留相關故障數據，便于事后故障分析研究與處理。
　　遙控開發(fā)射機時，控保系統(tǒng)接收到開機命令時，自動控制開冷卻，加激勵使發(fā)射機工作。
4　該控制和保護系統(tǒng)的優(yōu)越性
　　傳統(tǒng)的發(fā)射機的控制和保護系統(tǒng)使用數碼管顯示功率組件和開關電源的故障位號和故障總數，其他故障如駐波保護、過脈寬和過工作比保護、冷卻故障等只能用發(fā)光二極管來指示，顯示單一，功耗大，硬件設計復雜且修改性差，分機面板元件繁多，人機界面差。
　　本控保系統(tǒng)采用VFD模塊作顯示屏，可以使固態(tài)發(fā)射機所有的故障狀態(tài)都能直觀顯示，硬件設計簡單化，分機面板只需一塊尺寸為7cm×13．5cm的顯示屏。
??? VFD模塊系統(tǒng)原理見圖4。該模塊具有自檢和上電復位功能，具體見表1。
　　VFD模塊具有以下特點：與51系列單片機并行連接，用20芯扁平電纜連接比較方便；電源僅需直流＋5V，最大電流1A；能顯示121種字符，選擇
性強；顯示屏亮度可以通過軟件設置進行選擇；字符采用5×7點陣顯示，共4行，每行顯示20個字符。VFD模塊中信號工作時序關系見圖5。
　　圖5中，TPW為WR的脈沖寬度最小為50ns；
TEXE為VFD模塊顯示完成時間最大為750μs，該時間段內不能接收數據信息；／SEL為VFD模塊設置顯示時間最小為100ns。
5　結束語
　　固態(tài)發(fā)射機的控制和保護系統(tǒng)，采用EPLD和VFD模塊進行設計。簡化了設計、提高了系統(tǒng)可靠性，可以使發(fā)射機控制和保護系統(tǒng)實現模塊化設計，向通用化、標準化、系列化進軍，這樣可以大大縮短研制設計周期，適應科研生產的發(fā)展需要。
　　以上固態(tài)發(fā)射機控保系統(tǒng)因其設計簡單可靠，工作穩(wěn)定，已在多個產品中廣泛應用，并得到用戶的一致好評。

1　孫育才．MCS－51系列單片微型計算機及其應用．南京：東南大學出版社，2000，3