單片機與CPLD在雷達故障檢測中的應用

王佳鑫

摘 要：隨著雷達技術的不斷發(fā)展以及雷達設備在軍用民用領域的普及應用，對于雷達的維修也越來越受到重視。針對雷達這種高度復雜的電子設備的特性，以某型雷達信號處理分機為應用對象，本文結(jié)合CPLD與單片機設計了一個檢測雷達故障的系統(tǒng)，可檢測各功能模塊以及通信狀態(tài)燈故障。經(jīng)測試實驗表明，該設計功能完善，通用性好，具有良好的可拓展性。

關鍵詞：單片機；CPLD；故障檢測

中圖分類號： TN958.92 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）17-146-2

0 引言

故障檢測是指檢測判斷被測電路是否故障，并判斷故障發(fā)生的位置。雷達是一種高度復雜的電子設備，故障檢測的復雜程度也相對較高。但同時雷達的結(jié)構(gòu)層次明顯，由多個系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)一般由有機柜，分機，插件板組成，所以根據(jù)雷達的層次化可以分級設計故障檢測模型。不同的功能采用不同的檢測方法。通常情況下，檢測是通過對雷達系統(tǒng)中某些節(jié)點上施加一定的激勵信號，對電路產(chǎn)生影響和控制，通過被測電路的反饋分析出故障所在位置以及解決方案。雷達工作時，各功能模塊之間必然發(fā)生信息交互傳遞。針對某一特定功能模塊的檢測，可以通過模擬其上位模塊對被測模塊發(fā)送對應的激勵信號，再接收被測模塊的反饋信息來判斷其工作狀態(tài)是否正常。本文以CPLD與單片機為核心，設計一個實用的故障檢測系統(tǒng)，再加入一些外圍電路就可以模擬出多種激勵信號，從而達到故障檢測目的。

1 硬件平臺設計

CPLD與MCU結(jié)合的實用領域非常廣泛，因為其各自的特點。MCU控制能力強，有豐富且強大的指令系統(tǒng)，低功耗，易擴展，價格低廉等優(yōu)良特性使其成為高性價比控制型芯片。CPLD是一種復雜可編程邏輯器件，用戶可以根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字積少集成電路，其對數(shù)字編碼，時序的產(chǎn)生與控制更加方便快捷。結(jié)合這兩個器件的優(yōu)點，本文設計了一個簡單的硬件框架，如圖1所示。

單片機MCU（AT89C55）通過串行通信接口從檢測控制端獲取檢測命令，通過配置單片機波特率發(fā)生器，使用9600Bd波特率傳輸串行數(shù)據(jù)。MCU的P0口作為8為數(shù)據(jù)總線，連接至CPLD（Altera，EPM2210）與FIFO。P2口作為8位地址總線與CPLD相連。P1口的P1^0～2三根數(shù)據(jù)線接入操控機，作為測試結(jié)果的狀態(tài)信號，可表示出8種測試結(jié)果。P1^4端口作為對操控機的中斷信號，通知其在以上端口讀取測試結(jié)果。剩下幾個P1對端口與CPLD連接作為某些狀態(tài)使能信號，可自由調(diào)配。

CPLD的外部電路主要是被測單元與存儲芯片的連接。根據(jù)激勵信號的不同，CPLD與被測單元（UUT）之間的連接有8位數(shù)據(jù)線發(fā)送并行數(shù)據(jù)，串行接口發(fā)送RS485或RS232串行數(shù)據(jù)，以及模擬信號等。被測單元的回告信息通過同樣接口傳回CPLD或者裝入外部FIFO。外部FIFO的寫數(shù)據(jù)（WR），讀數(shù)據(jù)（RD），清空（RST），半滿/全滿（HF/FF）信號連入CPLD，由CPLD控制FIFO的讀寫。

在測試中，由CPLD按預設信息做出激勵信號并發(fā)向被測功能模塊。根據(jù)不同的檢測命令，CPLD控制FIFO外部芯片存儲被測模塊的反饋信息，然后向MCU發(fā)出中斷信號。MCU收到中斷后，從相應的外部取回反饋信息，加以判斷來確定是否存在功能模塊故障。

2 系統(tǒng)設計

2.1 單片機功能設計

本系統(tǒng)中單片機主要負責接收測試命令，控制CPLD發(fā)出各種激勵信號，以及最后反饋信息的分析工作。具體流程圖如圖2所示，單片機通過MAX485差分芯片接收外部的測試命令，上電后，單片機處于等待命令狀態(tài)，串口處于接收狀態(tài)，數(shù)據(jù)線上有數(shù)據(jù)時，檢測字頭開始接收數(shù)據(jù)，通過末尾校驗位來判斷是否為正確的測試命令。接收到命令后，系統(tǒng)進入檢測狀態(tài)，通過8位并行數(shù)據(jù)線向CPLD地址發(fā)送命令，隨即進入等待回告狀態(tài)。故障檢測的原則就是將被測單元反饋的信息與存儲在單片機中的正確反饋信息進行比對，如果兩組數(shù)據(jù)一致，向上位機發(fā)出中斷并告知被測單元無故障，反之，向上位機反饋存在故障的功能模塊。

2.2 CPLD設計

CPLD主要任務是在工作時產(chǎn)生檢測激勵信號以及外部存儲芯片的讀寫控制。根據(jù)被測功能模塊的不同，激勵信號也分為數(shù)字信號與模擬信號。相對而言，數(shù)字信號容易產(chǎn)生，通過串口或并口輸出加到被測單元即可。模擬信號相對復雜，需要通過設計一個波形發(fā)生器來完成。脈寬調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）時利用數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種技術，其實質(zhì)是對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器，方波的占空比被調(diào)制用來對一個模擬信號的電平進行編碼。PWM信號依然是數(shù)字信號，在給定的時刻，滿幅值的直流供電要么通，要么斷。電壓或電流源是以一種通或斷的重復脈沖序列被加載模擬負載上的。只要帶寬足夠，任何模擬信號都可以使用PWM進行編碼。如圖3所示，一個正弦波可以用一些相等幅度但不等寬的脈沖來代替。正弦波被分為N等分，可以看成N個連續(xù)的脈沖序列，時間寬度相等，但幅值不等。用矩形脈沖替代是，信號等幅但不等寬，中電重合，面積相等，脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化，體現(xiàn)在模擬信號中的幅值變化。

使用CPLD實現(xiàn)PWM發(fā)生器非常簡便，其中包括了計數(shù)器，數(shù)據(jù)比較器，時鐘分頻寄存器以及占空比寄存器。分頻存儲器用來存放不同波形所需要的計數(shù)器參數(shù)，占空比寄存器存放著不同的閾值。當啟動發(fā)生器時，計數(shù)器開始計數(shù)，輸出和占空比寄存器中的數(shù)據(jù)進行比較，當計數(shù)器輸出小于占空比設定值時輸出低電平，否則輸出高電平。

CPLD控制FIFO（IDT7204）的讀寫。當激勵信號施加在被測單元后，CPLD隨即產(chǎn)生FIFO寫信號/WR，每個下降觸發(fā)寫操作，被測單元回告的數(shù)據(jù)寫入FIFO。當FIFO中數(shù)據(jù)量達到半滿時，半滿信號端口（/HF）輸出低電平至CPLD。CPLD發(fā)中斷給單片機，告知FIFO數(shù)據(jù)已準備好可以進行讀操作。MCU從指定地址讀取數(shù)據(jù)，地址線在CPLD中合成出FIFO的讀信號/RD。

3 結(jié)束語

MCU+CPLD結(jié)構(gòu)是很多電子系統(tǒng)設計的一種基本框架，MCU可以實現(xiàn)復雜的控制與檢測，CPLD可以靈活的實現(xiàn)外圍擴展電路，彌補了MCU相應速度慢等問題，兩者互補性強。本設計通過對某型雷達故障檢測實驗中得到了成功的應用。通過對外圍電路以及CPLD邏輯的改進，系統(tǒng)可滿足不同應用場合，可移植性強。

參 考 文 獻

[1] 楊志鵬，王世堯.基于CPLD的單片機之間的通信接口設計[J].廈門：電腦開發(fā)與應用.

[2] 黃正謹.CPLD系統(tǒng)設計技術入門與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3] 王志鵬.可編程邏輯器件開發(fā)技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.