艦載雷達伺服系統的自動鎖控制單元設計?

張 溦

（中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068）

1 引言

雷達伺服系統即天線位置隨動系統是雷達的重要組成部分，它對于發現目標、跟蹤目標以及精確地測量目標位置都起著重要作用［1］。雷達伺服系統一般包括方位回路與俯仰回路［2］，在工作時依靠方位和俯仰回路驅動雷達天線完成指定動作，不工作時需要天線鎖定裝置保持天線的穩定。

雷達天線鎖安裝于天線座上，通過鎖定裝置，可以實現雷達天線在方位、俯仰回路中的零位自鎖。因艦艇在水面航行時會發生縱橫搖、升沉以及航向改變的情況，自動鎖裝置可以在伺服系統斷電后保護轉動機構，維持天線的穩定性［3］。傳統的手動鎖裝置在實際應用中存在諸多問題，例如在航行的艦艇上，手動鎖裝置需要靠人工攀爬到天線上去工作，這在航行過程中是比較危險的，安全性差，操作難度大［4］。相比而言，自動鎖裝置避免了人為操作，自動化程度提高，但雷達自動鎖仍需要控制器對其進行邏輯控制。本文旨在設計一個帶有單片機控制的自動鎖控制單元，可以獨立完成邏輯控制及開閉鎖到位狀態回示，大大增強了適用性、可靠性和安全性。

2 自動鎖控制單元工作原理

自動鎖控制單元是雷達伺服系統不可缺少的一部分，對艦載雷達的可靠工作起著重要的作用。自動鎖控制單元可以在指令控制下對自動鎖進行操作，并實時反饋狀態信息。控制器與單片機之間通過RS422電平格式進行全雙工通信［5］，控制器發送方位和俯仰的開、閉鎖控制指令給單片機，單片機反饋開、閉鎖到位回示信號給控制器。控制指令通過三極管驅動繼電器實現電機正、反轉［6］，自動鎖的到位信號直接在單元內部由單片機進行邏輯控制，再通過RS422電平通信傳回控制器。該設計大大提高了單元自適應性，降低了處理回示信號的復雜程度，同時減少了匯流環信號線數量。自動鎖控制單元工作原理如圖1所示。

圖1 自動鎖控制單元工作原理

3 硬件設計

自動鎖控制單元的硬件設計由單片機控制電路、繼電器控制電路、電源電路、信號回示處理電路等部分組成。本單元設計依照100%國產化的原則進行，所選用的器件均為國產器件，實現了國產軍用電子元器件的自主可控。

3.1 自動鎖控制電路整體設計

控制器發送控制指令給單片機，單片機反饋到位信號回示給控制器。24V電源通過微動開關的常閉觸點接通到繼電器的觸點，單片機接到控制指令后，通過三極管控制繼電器切換常開、常閉觸點［7］，實現鎖電機的正反轉，完成開、閉鎖。當開、閉鎖到位時，微動開關接通到其常開觸點，電機斷電，光電隔離器產生到位信號回示給單片機。

其中，自動鎖控制單元安裝于雷達天線座上，與伺服控制器間的連接電纜長度達數十米，信號傳輸采用RS422差分信號及帶屏蔽的雙絞線等設計方式更能很好地防止外部強電磁干擾。同時，在設計中使用光電耦合器實現強弱信號之間的隔離［8］。自動鎖控制電路整體設計圖如圖2所示。

圖2 自動鎖控制電路整體設計圖

3.2 電源電路設計

自動鎖控制單元需要系統提供24V的直流電源，在單元電路設計中共有24V和5V兩種電源，其中24V是鎖電機的工作電源；5V是提供給單片機和光電隔離器的工作電源。為了減少系統輸入自動鎖控制單元的電源種類，提高單元適用性，故增加一個DC/DC電路，使24V轉換成5V，電源電路框圖如圖3所示。

圖3 電源電路框圖

DC/DC電路選用的整流降壓電源芯片是株洲宏達的XC8222電源芯片，該芯片輸入電壓范圍4.5V到40V，可輸出3A平均電流，具有完善的保護功能，能夠滿足單元需要，實現24V轉5V的功能，使其單元只需要系統提供24V電源即可。24V通過電源芯片降壓直接將5V提供給單片機和光電隔離器，DC/DC電路設計如圖4所示。

圖4 DC/DC電路設計圖

3.3 單片機控制電路設計

本文自動鎖控制單元設計加入了單片機及外圍電路，使鎖到位信號在單元內部進行邏輯控制，減少了控制器與單元間的信號連線，提高了自適應性。單片機采用深圳國微的SM9956B1D，它與MCS-51產品兼容，是一個低功率高性能CMOS8位微處理器，帶有43字節flash，256字節RAM，32條I/O線，三個16位計數器，8個中斷源，全雙工串行端口。單片機與控制器之間用于串行通信的RS422信號收發器選用深圳國微的SM490，工作電壓是5V±0.5V，最大傳輸速率2.5Mbps，滿足系統需求。

單片機電路設計中還需考慮時鐘電路和復位電路［9］。其中時鐘電路用來產生單片機工作時所必需的控制信號。SM9956B1D單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，XTAL1和XTAL2兩個引腳外部跨接頻率為11.0592MHz的石英晶體振蕩器和微調電容，構成一個穩定的自激振蕩器。

復位是單片機的初始化操作，除了進入系統的正常初始化之外，當程序運行出錯或操作錯誤使系統處于“死循環”或者“跑飛”狀態，也需要復位重新啟動程序，復位電路包括上電自動復位和人工按鍵復位［10］。其次，芯片中的P0-P3為8位并行I/O端口，RXD和TXD引腳為異步收發串行口（UART）。單片機控制電路的設計如圖5所示。

圖5 單片機控制原理圖

3.4 繼電器控制電路設計

在鎖電機的應用中繼電器通常會選擇電磁繼電器或固態繼電器，本單元以模塊化、小型化設計為思路，若選用固態繼電器，要實現方位、俯仰的開、閉鎖控制，電路共需要八個國產固態繼電器，這就增大了印制板的尺寸，同時提高了設計成本。為了優化單元使其趨于小型化，利用電磁繼電器可以通過自身吸合通斷的特點［11～12］，這里只需要四個電磁繼電器即可，故在本設計中選用適用本設計要求的電磁繼電器。

繼電器負載選用的是西安微電機研究所研制的40ZY-DZ01型電機，額定電壓為24V，額定電流不大于1.1A。針對于電機負載，繼電器選用的是貴州航天電器的超小型密封電磁繼電器JZC-078M/024-01-II，其線圈電壓額定值是24Vdc，觸點負載高電平為5A/28Vdc，主要參數滿足負載需求。方位和俯仰的繼電器控制電路原理相同，這里以方位開、閉鎖控制電路為例，如圖6所示。

圖6 方位開、閉鎖控制電路圖

其中，三極管V1、V2是將單片機輸出的控制信號進行驅動放大；并聯在線圈兩端的續流二極管D1、D2是起到保護繼電器的作用；R14、R15串聯到繼電器和電機的線路中，可以起到限流的作用，保護電機。

K1、K2為電磁繼電器，3、6為線圈引腳，4、5為動簧片引腳，1、8為常閉簧片引腳，2、7為常開簧片引腳。當方位控制電路中方位開鎖常閉信號（24V）和方位開鎖控制信號均接通后，電磁繼電器K1的3、6引腳間線圈通電，產生電磁吸力，直至吸力使得兩組動簧片分別與常閉簧片斷開，與常開簧片閉合，驅動電機正轉；同理，當方位控制電路中方位閉鎖常閉信號（24V）和方位閉鎖繼電器控制信號均接通后，電磁繼電器K2的3、6引腳間線圈通電，驅動電機反轉。

4 軟件設計

4.1 單片機軟件設計

單片機軟件主要功能是接收控制器發送的方位和俯仰開、閉鎖控制指令，通過控制四路繼電器的狀態，實現對方位和俯仰的鎖電機正、反轉控制；并實時接收方位和俯仰鎖電機狀態，將到位信號回示給控制器，單片機軟件的流程圖如圖7所示。

初始化模塊完成系統控制寄存器設置，SCI模塊初始化；單片機完成與伺服控制器的通信，接收控制器的控制指令，并將方位和俯仰鎖狀態信息回示給控制器。

4.2 SCI通訊設計

控制器與單片機之間通過SCI異步串口進行通信，是全雙工串行傳輸方式，SCI通信的數據格式采用 NRZ（standard non-return-zero mark/space data format）數據格式［13］，通信波特率為 9600，如圖8所示。

SCI通訊數據協議如表1所示。

表1 SCI通訊數據協議

5 結語

本文提出的艦載雷達伺服系統的自動鎖控制單元從模塊化、小型化的考慮角度出發，實現了對方位和俯仰電機鎖全自動化控制，避免了手動鎖人為操作的不確定性，且加入單片機控制電路使鎖到位信號回示給單片機，在單元內部進行邏輯控制，提高了自適應性，同時簡化了控制器與單元之間的信號線，也降低了到位信號的處理難度，此自動鎖控制單元已成功應用于艦載雷達。

圖7 單片機軟件流程圖

圖8 SCI數據格式