固態發射機監控系統的雙熱備份設計

李桂新

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

雷達發射機一般采用可變脈沖工作比方式工作，同時具有功率密度大、高壓大電流和能量熱耗高等特點，這就導致系統內的空間磁場分布具有很多不確定因素。顯而易見，發射機符合干擾源的所有特性，因此，發射機往往也是雷達中可靠性最低的分系統，是制約雷達系統整體可靠性的關鍵設備。但某些特殊體制的雷達，如氣象探測雷達、港口管制雷達、空情警戒雷達，要求雷達設備能全天候工作，對設備的可靠性提出很高要求［1］。

隨著現代固態發射機技術的發展，一套完善的監控系統既可以降低操作者的使用難度，同時又對雷達系統的工作穩定性和性能提升具有決定性作用。

1 發射機監控的系統組成

固態雷達的發射機系統一般采用模塊化設計，各部分均能獨立工作，并通過天線由合成器將發射功率輻射到空間去。組成一個完整的固態發射機分系統的關鍵模塊主要有:前級功放、末級功放、前級電源、發射電源、輔助電源、風機組件、雙工開關組件和監測控制分機。發射機監控系統組成框圖如圖1所示。

圖1 發射機監控系統組成框圖

監測控制分機是固態發射機監控系統的核心部件，主要負責管控發射機內部各組成設備，對運行中出現的各種故障及時響應并實施保護。監測控制分機的另一個主要功能是通過網絡介質負責與雷達主控臺的聯絡通信，從而完成雷達對發射機的遠程監控。

發射機內部設備之間采用控制局域網總線(CAN總線)方式串行組網，分布節點多達五十多個，且分布在三個不同的機柜中。在工業控制領域，CAN總線具有極高的總線利用率和電磁抗干擾能力，可以根據報文的編號決定接收或屏蔽該報文，既支持多主構架的系統，也支持主從方式的系統［2］。該總線規范能夠檢測出產生的任何總線錯誤，在發送信息遭到破壞后能自動啟用重發機制。如果該錯誤持續存在，在錯誤達到128次后，該節點會自動脫離總線，從而不影響其他節點的正常工作。待總線錯誤消失后，該節點又會自動接入網絡系統繼續通信［3］。

在發射機監控系統內部，可監控的狀態量有功放組件和電源組件的電流值、溫度值及故障狀態，風機組件的轉速信息，機柜的出入口溫度值和風壓值，以及天線駐波、雙工開關位置等。監控系統依靠不同的設備編號來識別這些信息。

2 雙熱備份的實現原理

雷達設備的工作可靠與否，直接關系到所負責空域的安全和操作員的人身安全。雙熱備份設計方案的目的就是在雷達設備工作出現致命性故障時，監控系統能夠自動切換到備份通道，從而保證雷達能繼續正常工作。

要真正實現雷達發射機雙熱備份功能，原則上發射機系統內部就必須擁有兩套完全獨立的硬件設備。但考慮實際情況，采用并聯冗余和增加關鍵設備硬件相結合的方式即可滿足發射機系統的任務可靠性要求［4］。

發射機內部的功放組件、風機組件和各種電源均采用并聯方式實現冗余備份;而監測控制分機和雙工開關均屬于關鍵設備，則采用增加獨立硬件的方式來實現冗余［5］。這些設備工作時均處于熱備份狀態，發生故障時會自動切換到備份通道繼續工作，不會影響系統的性能指標。

一套完整的監測控制分機包含檢測控制模塊和雙工控制模塊兩部分，這兩個模塊均由各自獨立的電源供電。平時不需要兩套硬件均處于帶電運行狀態，即熱備份狀態。正常主控制通道工作時，主通道中的檢測控制模塊和雙工控制模塊擁有設備的完全管控權力，既可以檢測發射機狀態，又可以控制發射機;而從控制通道的檢測控制模塊和雙工控制模塊則處于熱備份狀態，只能被動收集設備狀態信息，沒有控制權限，不能操控發射機。反之，從控制通道工作時，主控制通道處于熱備份狀態。

當主控制通道發生故障時，發射機監控系統的工作軟件會根據事先設定的判斷準則自動切換，或按主控臺指令要求人工切換到從控制通道，把控制權限移交給從通道，由從通道負責接管設備，從而使發射機繼續工作。

監測控制分機中檢測控制模塊和雙工控制模塊在結構上采用帶操作面板的插件形式。面板上裝配必要的指示燈和功能按鍵，這些按鍵中還包含了手動控制按鈕。在控制軟件失效的緊急情況下，可以通過各個模塊面板上的按鍵，手動實現對發射機的操控。

雙工開關組件是單刀雙擲開關設備，接受主從雙工控制模塊的控制，之間采用交叉連接的方式，共能實現四種組合控制。

考慮到在線維修的需求，在每個功能組件的供電回路均設置了單獨電源開關。當設備故障時，只需關掉對應的電源開關，就可以在雷達發射機不停機的狀態下更換備件，能真正實現設備故障時在線維修。

3 檢測控制模塊的設計

檢測控制模塊是監測控制分機中的管理中心，主要由基于X86構架的PC104、實現總線譯碼的EPLD以及用于一些IO通道控制的外圍芯片組成。其功能原理組成圖如圖2所示。

圖2 檢測控制模塊功能框圖

方案中的PC104是一款嵌入式計算機，秉承了IBM-PC開放式總線架構的優點，為嵌入式開發應用提供了標準的系統平臺。

檢測控制模塊在發射監控系統中主要完成以下四個功能:

(1)負責巡檢發射機內部CAN總線上的數據，并通過總線完成對各個組成節點的軟件開關機和異常故障保護;

(2)負責通過網絡和雷達主控臺進行數據交換，上報發射機狀態信息，接收雷控的遙控指令;

(3)根據準則判斷主從工作方式，并通過分機內部的連接總線向雙工控制模塊發出雙工控制切換指令;

(4)負責檢測天線駐波等重要故障信息和面板按鍵信息，完成對發射機的控制。

4 雙工控制模塊的設計

雙工控制模塊的主要作用是自動檢測前級放大器的工作狀態，故障時能自動切換到備份通道。雷達的雙工開關主要由兩個耦合器、一個射頻開關和一個固定功率負載組成。兩路前級功放組件輸出的功率信號，各自通過一路檢測耦合器送到射頻開關，射頻開關是雙刀雙擲機械式開關。前級功放組件A路工作時，由射頻開關經分配器把對應的輸出功率接入到末級放大器，另一路前級功放組件B路輸出功率直接送到固定的功率負載［6］。雙工開關原理圖如圖3所示。

圖3 雙工開關原理圖

當檢測電路檢測到有輸入激勵但沒有輸出信號時，由雙工控制模塊實施保護，在不停機狀態下使前級放大器組件B自動接入末級電路，前級放大器組件A接入到固定負載，從而使發射機繼續正常工作。

雙工控制模塊的功能性原理圖如圖4所示。

圖4 雙工控制模塊功能框圖

雙工控制模塊中的關鍵器件是EPLD，實現的主要功能有下述三點:

(1)完成數據總線的譯碼，實現與檢測控制模塊的硬件連接;

(2)根據檢測控制模塊的使能要求，完成雙工切換功能和對前級輸入射頻的控制;

(3)實現對雷達總體送來的同步觸發脈沖進行過脈寬、過工作比檢測，正常時直通，故障時切斷并告警。

在雙工控制模塊設計中，為提高抗干擾能力，所有的輸入輸出信號全部采用光耦隔離。嵌入在EPLD里面的軟件代碼采用模塊化設計思想，比如過脈寬/過占空比等常用功能，用VHDL語言編寫并封裝成圖形模塊，方便日后直接調用，避免重復勞動。

5 交叉接口電路的設計

輸入輸出通道的接口電路設計是雙機系統設計的關鍵。正常情況下，最終被控終端只有一個，而控制的輸入信號卻有兩個。如何調度兩個輸入信號來控制一個對象，主要是由控制軟件和外部硬件電路雙重保證的。

控制軟件主要負責工作方式的選擇，是工作在主控制通道還是工作在從控制通道。硬件控制電路采用差分輸出信號方式連接。差分發送芯片選用DS96F172M，，對應差分接收芯片為 DS96F173M。其發送芯片內部邏輯圖如圖5所示，對應的真值表如表1所示。

圖5 發送芯片邏輯功能圖

表1 DS96F172M邏輯真值表

眾所周知，差分信號本身抗干擾能力就很強，該芯片還有一個關鍵的特點，提供使能控制信號。由表1可以看出，當控制端(Enable引腳)為低電平時，差分芯片輸出的是高阻態。利用這種功能就很容易實現，當主通道處于工作態時，控制從通道使其輸出在高阻狀態，這樣就不會影響對單一終端的控制，反之亦然。

6 主從模塊的自動識別

主從檢測控制模塊、主從雙工控制模塊在電信設計和結構設計上完全一樣，可以相互調換。模塊在身份上的區別僅僅是靠分機接線備板上設置的不同初始狀態來實現的。實際工程中，取信號插座中一位固定引腳接入不同電平值來區分，主通道是通過一個20 K電阻上拉到+5 V，從通道就直接接到地。系統復位上電啟動后，軟件立即檢測該引腳上輸入信號的狀態，如果為高電平，配置該板為主控制模塊;若為低電平，就配置為從控制模塊。主從判斷流程圖如圖6所示。

圖6 主從身份識別判斷流程

該設計方案電路簡單，控制流程也不復雜。以備板插槽的位置來確定主從功能，有利于提高模塊的互換性，減少硬件的備件數量，同時也統一了應用程序，方便軟件維護。

7 監控軟件的設計

VxWorks是美國風河公司1983年推出的一種嵌入式實時操作系統，以性能高、占用資源小、實時性強著稱。該系統包括了中斷處理、看門狗定時器、消息登錄、內存分配、線緩沖和環緩沖管理、鏈表管理等功能，也支持 ANSI C標準，方便人員編程［7］。良好的持續發展能力、高性能的內核、卓越的實時性以及友好的用戶開發環境，使VxWorks系統在民用、軍工、航天等領域均占有很大的市場份額，被廣泛應用于許多高精尖技術行業。

嵌入式控制軟件的核心功能是協調管控兩套互為熱備份的監測控制分機。控制軟件從功能角度可以分為五大作業模塊:開關控制任務、數據通信任務、接口管理模塊和其他后臺任務。具體流程圖如圖7所示。

圖7 軟件控制流程圖

基于VxWorks多任務優先級搶占方式的調度機制，控制軟件中的幾個任務在單位時間片上是并發進行的［8］，每個任務劃分完成不同的工作需求。下面就四個關鍵任務做簡單描述。

開關控制任務:該任務的觸發條件是主控臺的遠程開關控制指令和本地面板按鍵的控制指令。發射機收到開機命令后，打開發射風機，等到風機轉速穩定，風壓檢測無故障后，打開發射電源，等電源軟啟完成正常輸出電壓后，打開末級功放組件，檢測雙工狀態，正常后開前級組件，加發射定時輸出功率。關機按反方向進行，待組件溫度降到合理的環境溫度條件時再關閉冷卻風機。

數據通信任務:該任務包含CAN通信任務和網絡通信任務。對內通過CAN總線采用主從問答模式巡檢所有在線設備的狀態信息，并將其轉換成網絡包格式暫存在內存中;對外實時解析雷控命令，并根據要求完成對發射機的各種控制，如:開關機命令、通道切換命令、響應查詢命令等。

狀態巡檢任務:軟件啟動后自動周期性巡檢系統內各個采樣點的狀態信息和故障信息。通過消息機制實時地反饋給其他任務完成故障連鎖保護功能。

接口管理任務:設置這個任務的目的是提高通道切換的實時性，盡量壓縮時間，保證系統故障發生后能以最快速度切換到備份通道。切換時首先關閉發射定時和目前正在工作的前級通道，然后切換開關到備份通道，最后打開備份前級和發射定時。

8 結束語

采用集中管理、分布控制的控制模型，利用兩套硬件上完全相互獨立的監控電路，就可以完成功能上互為冗余、互為補充的固態發射機監控系統的設計，真正實現雙熱備份功能。此方案可有效提高發射機監控系統的任務可靠性。文中提到的諸多實現方法可以直接應用于其他類似產品的監控系統設計，可節約大量人力資源和寶貴時間。

［1］ 鄭 新.雷達發射機技術［M］.北京:電子工業出版社，2006.Zheng Xin.Technology of radar transmitter［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［2］ 張曉平，施海峰.CAN總線在雷達監控中的應用［J］.現代雷達，2003，25(9):8-10.Zhang Xiaoping，Shi Haifeng.Application of CAN bus technology to monitoring and control of radar system［J］.Modern Radar，2003，25(9):8-10.

［3］ 張 健，李 華.基于CAN總線技術的開關電源監控系統的設計［J］.河北大學學報:自然科學版，2002，22(2):175-179.Zhang Jian，Li Hua.Design based on the CAN fieldbus technology of the switching power supply monitoring control system［J］.Journal of Hebei University:Natural Science Edition，2002，22(2):175-179.

［4］ 王 強.固態雷達發射機雙監控系統［J］.現代雷達，2004，26(1):56-58.Wang Qiang.A double monitoring and controlling system for solid-state radar transmitter［J］.Modern Radar，2014，26(1):56-58.

［5］ 曾 成，趙艷玲.模塊式電源監控系統雙機熱備份的設計［J］.電測與儀表，2013，50(10):124-128.Zeng Cheng，Zhao Yanling.Design of dual hot standby with monitoring system of power supply module［J］.Electrical Measurement and Instrumentation，2013，50(10):124-128.

［6］ 徐湘寧，姜 勇，謝 英，等.固態發射機中雙工控制板的設計［J］.電子工程師，2008，34(6):7-8，11.Xu Xiangning，Jiang Yong，Xie Ying，et al.Design of the duplex control board in the solid state transmitter［J］.Electronic Engineer，2008，34(6):7-8，11.

［7］ 謝拴勤，宋 巖.基于VxWorks的飛機電氣處理機多任務程序設計［J］.現代電子技術，2012，35(22):107-109，112.Xie Shuanqin，Song Yan.Multi-task program design of Vx-Works-based electric processor for planes［J］.Modern Electronic Technique，2012，35(22):107-109，112.

［8］ 陳懷民，王龍福，吳成富，等.基于VxWorks的分布式測試系統設計與實現［J］.測控技術，2009，28(10):71-74.Chen Huaimin，Wang Longfu，Wu Chengfu，et al.Design and realization of distributed measurement system based on VxWorks［J］.Measurement and Control Technology，2009，28(10):71-74.