基于MCU的行波管發射機顯控系統設計

徐曉榮

(中國電子科技集團第三十八研究所 安徽合肥 230088)

1 引言

隨著雷達功能的不斷增強，雷達的各個子系統的復雜性也不斷提高，發射機作為雷達系統的重要組成部分，其狀態的好壞將直接影響系統性能的發揮[1]。傳統的發射機顯控系統(單元)功能比較簡單，一般采用小規模電路并用LED進行開關機、故障狀態等基本功能的顯示，因此存在較多的缺陷:a.發射機的各種工作參數不能實時監測;b.歷史信息無法回溯;c.不具備自動檢測和故障診斷。

為解決上述缺陷，本文提出了一種基于微處理器(MCU)的發射機顯示控制系統的軟硬件設計方法，顯控系統采用具有HMI(Human Machine Interface，HMI)功能的觸摸屏(智能顯示終端)作為輸入輸出作為界面終端，通過人機界面，實現發射機的開關機操作控制，能夠實時顯示發射機各種工作參數和運行狀態;采用RS232/422或RJ45接口，通過一定的接口協議，實現發射機的遠程控制和參數的調整;顯控系統能夠自動監測和記錄發射機的工作過程，通過故障診斷功能，實現故障定位。

2 系統硬件組成

行波管發射機需要監測的主要參數和顯示的工作狀態見表1所示。

工作參數主要包括行波管的各級電壓和電流、工作時間、溫度等;工作狀態包括開關機和故障狀態等信息。

顯控系統組成主要包括:前端多路A/D、微處理器、實時時鐘、溫度監測電路、非易失性存儲器、RS232/422及RJ45接口、電源處理和智能顯示終端等。

表1 監測的主要參數和狀態

顯控系統的智能顯示終端采用具有HMI功能的觸摸屏實現，集智能化、信息化、人性化友好操作于一體的人機界面是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介。通過HMI，可以完成MCU與操作者之間友好的交互，負責用戶的操作輸入、設備的參數設定與修改以及在線實時監控等[2]，是一種使用戶操作簡單、提高效率、維護方便以及服務增值等自動控制最佳解決方案之一。

顯控系統的硬件組成見圖1所示。

圖1 顯控系統硬件組成框圖

為了實現發射機的遠程控制和數據的雙向傳輸，顯控系統通過RS232/422串口或RJ45網絡接口，采用一定的通訊協議實現與智能終端、發射機監控或者上位機進行通訊;前端A/D采用串行多路模數轉換器，MCU在系統時鐘的控制下，將送到A/D轉換器的行波管的各級采樣電壓、電流信號分時轉換，并將數據進行處理后通過RS232串口發送到智能顯示終端進行顯示;顯控系統采用非易失性FLASH存儲器記錄、存儲發射機的工作過程和歷史信息;采用實時時鐘芯片作為系統運行的時鐘;溫度監測采用專用的溫度采集芯片。

3 軟件設計

3.1 軟件架構

由于整個程序主要為實現顯示終端進行各種參數顯示和控制，顯示終端采用具有HMI功能液晶觸摸屏，方便各種參數輸出顯示和界面切換。

液晶觸摸屏作為人機界面的輸入輸出設備，用戶程序分為兩個部分來進行開發;

·產品算法功能的實現，比如數據采集、外設控制等，例如A/D、溫度采集、數據存儲等;

·人機交互實現，借助液晶顯示屏的HMI來完成。

由于液晶顯示屏的HMI只通過串口與用戶程序“溝通”，屬于相對獨立的系統，而且HMI處理的是“隨機”事件，而產品算法功能處理的是相對“固定”的事件，所以用戶程序設計可按照下面的架構來安排，提高開發效率，保證整個程序運行流暢，實現程序可靠運行[3]。

a.采用前后臺程序架構，把應用程序放在前臺，使用查詢、掃描的方式來處理，把和硬件直接打交道的程序，比如串口通信、A/D轉換等程序，放在后臺，用中斷方式處理;

b.前后臺程序通過存儲器(全局變量)來進行數據交換;

c.前臺程序通過后臺“消息”來觸發;

d.使用一個定時器產生內部時序協調不同應用程序;

e.所有應用程序按照功能設計成獨立的子程序，并在前臺程序中處于并行的位置，以方便調試和移植。

整個程序軟件架構框如下圖2所示。

圖2 顯控系統軟件程序架構

3.2 界面設計

友好的人機界面是功能實現和信息交互的關鍵[4]。由于需要顯示的參數類別和功能不同，因此為了實現界面的直觀、友好和易于操作，設計時考慮采用多個界面，每個界面顯示某一類功能，通過界面上的軟觸摸按鍵，實現不同界面之間的切換。

根據前文的分析，行波管發射機的界面根據需要可設計為五個主要部分:

◇參數顯示界面 顯示行波管發射機工作時的各種電壓、電流、溫度等參數;

◇狀態顯示界面 顯示行波管發射機工作的狀態信息，包括開關機和故障信息;

◇歷史信息界面 顯示發射機工作過程中發生的故障(包括故障名稱、發生的時間等)和發射機的運行時間等信息;

◇系統設置界面 進行各種參數的設置，包括時間日期的調整、開機密碼的設定和修改、發射機的參數設定(在本控工作時，可設定發射機調制脈沖的工作頻率、工作脈寬等信息);

◇主界面 可進入到其他顯示界面。

每個界面上放置觸摸按鍵，通過按鍵可在不同界面之間實現切換操作，發射機的界面切換的對應關系如圖3所示。

圖3 發射機界面及互相切換示意圖

為使顯示界面更為友好，根據顯示終端的實際尺寸，采用photoshop等軟件繪制出主界面圖形和其他相關界面圖形，并使用相應的HMI開發工具，將這些圖形下載到顯示終端的存儲區內，主程序將通過串口和HMI進行通訊，根據命令調用相應的界面圖形并將各類數據和狀態等信息在界面上進行顯示。圖4是已完成的一個界面圖形，圖5是已完成好的行波管發射機顯示控制系統的實物。

3.3 程序設計

MCU程序設計采用結構化、系統化的設計方法，編程語言采用C語言，與MCU相關的各個硬件部分的程序設計成獨立的子程序，在主程序內可方便調用。

微處理器(MCU)程序采用中斷的方式完成與行波管發射機主監控以及顯示終端的通訊，控制A/D采樣、采集溫度、控制系統時鐘芯片;并將采集到的數據通過串口發送給顯示終端;將重要的信息(故障發生情況、工作時間等)存儲在存儲芯片內。界面中的軟按鍵將被定義成不能的數值，用戶通過按鍵切換界面，顯示各種采樣數據、發射機的運行狀態和故障等信息。

發射機還可通過RJ45接口通過約定的通訊協議與其他控制終端進行通訊，實現遙控遙測。

結合顯控的具體功能以及顯示終端的數據傳輸，下面給出觸摸屏和MCU通訊的串口中斷函數和主程序的部分程序。

3.4 通訊協議

發射機顯示控制的接口必須符合雷達系統規定的內部傳輸協議，包括數據傳輸的內容與格式。

為保證數據傳輸的正確性，數據編碼采用16進制格式，一幀數據8個字節，起始字符為0xAA，第7個字節為奇偶校驗碼，最后一位為結束符0x0D(見表2所示)。

表2 數據編碼格式

CRC=Data[0]^Data[1]^Data[2]^Data[3]^Data[4]^Data[5]

與發射機主監控的通訊采用定時查詢的方式，每隔2s時間查詢一次發射機的狀態。發送查詢碼格式見表3，接收的回碼格式見表4所示。

表3 發送查詢碼格式

表4 接收到的狀態故障碼

碼0、1和2不同的BIT位代表發射機不同的狀態，其含義可根據需要自行定義。

4 抗干擾措施

行波管發射機中高/低頻電路、高/低壓電路、模擬/數字電路并存，而且是高密度組裝，電磁環境復雜，顯控系統中的數字電路部分易受干擾[5]。因此要保證整個系統能可靠地工作，在設計中須采取一些措施，通過硬件、軟件兩方面的配合使系統達到高可靠性的目的。

a.接口處理 顯控與外界的通訊接口采用光耦進行隔離;供電電源采用隔離的二次電源系統[6];各種取樣信號采用屏蔽雙絞線并在輸入端加濾波電容進行平滑和濾波;

b.接地和屏蔽 顯控系統電路板采取多層布板技術，內電層采用大面積接地方法減小阻抗;數字地和模擬地通過磁環或磁珠相連，減小互擾;整個系統采用金屬屏蔽盒進行屏蔽，減小空間干擾[7];

c.軟件措施 在程序中采取一些冗余設計，對于條件控制系統，將控制條件的一次采樣、處理、控制輸出改為循環采樣，實時刷新控制輸出;設計軟件看門狗，保證系統中信息存儲、運算和傳輸的高可靠性[8]。

5 結束語

現代雷達發射機的顯示控制技術正朝著數字化方向發展，智能化、可視化、信息化是未來的基本要求，基于MCU的發射機顯控設計，硬件電路采用系統化設計方法，具有很好的擴展性、可維護性和可重復利用性;軟件設計以C語言編程規范為依據，使其更加標準化、規范化和通用化。

[1]王姣，楊峰，梁波.雷達自動檢測系統中的虛擬儀器技術研究[J].彈箭與制導學報，2009，29(6):206－207.

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[3]迪文科技.迪文HMI用戶軟件開發指南Ver 3.0.北京迪文科技公司，2011，08.

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[6]王強，李東芳，榮大偉.CAN總線嵌入式系統在發射機中的應用[J].現代雷達，2007，29(7):73－74.

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[8]吳興純，趙金燕，楊秀蓮，楊燕云.單片機運用系統的軟件抗干擾技術研究與分析[J].電子設計工程，2011，19(16):35 －36.