FPGA在雷達發(fā)射機系統(tǒng)中的應(yīng)用

榮大偉 陶小輝 李莊 姜力暉 曹銳

1.中國電子科技集團公司第三十八研究所； 2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室

一、引言

雷達發(fā)射機工作在高功率、強電磁干擾的環(huán)境中，相對來說發(fā)射機監(jiān)控電路又是敏感度較高的小信號電路，因此發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)的安全、可靠地工作至關(guān)重要。隨著新型控制器件的不斷問世，發(fā)射機監(jiān)控技術(shù)也取得了突飛猛進的進步，發(fā)射機的監(jiān)控電路正在向高度智能化、集成化、自動化方向發(fā)展。近年來，隨著CP LD (復(fù)雜可編程邏輯器件)和FPG A (現(xiàn)場可編程門陣列)等數(shù)字器件的更廣泛使用，可以實現(xiàn)發(fā)射機系統(tǒng)中的時序、組合等一些復(fù)雜的邏輯功能。FPG A器件的規(guī)模比較大，具有可編程和軟件功能容易改動等特點。因而在可編程門陣列芯片及外圍電路不變的情況下，只需改變芯片內(nèi)部的程序，就能實現(xiàn)一種新的功能。

本監(jiān)控系統(tǒng)針對三種型號固態(tài)發(fā)射機的監(jiān)控系統(tǒng)，由于每種發(fā)射機的需求：控制信號、故障檢測及通信接口的數(shù)量和類型均不相同，因此對監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計。綜合三型的輸入輸出信號，采用最大化的接口類型和數(shù)量，實現(xiàn)硬件電路的統(tǒng)一設(shè)計。不同發(fā)射機之間的功能區(qū)別通過軟件編程來實現(xiàn)。

二、硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)要求，本監(jiān)控系統(tǒng)主要完成以下功能：

（1）通過串口從上位機接收控制信號；

（2）通過并口從系統(tǒng)監(jiān)控接收導(dǎo)前和門套等時序信號；

（3）通過并口接收發(fā)射機系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備的狀態(tài)信號；

（4）通過串口上傳發(fā)射機系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的狀態(tài)信號；

（5）通過并口對發(fā)射機系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備進行開關(guān)機控制；

（6）本地控制和狀態(tài)顯示。

本文中的發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1.發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)框圖

（一）輸入輸出電路

整合三型發(fā)射機最大接口需求量：輸入的控制信號和狀態(tài)信號，輸出的控制信號和狀態(tài)回饋信號，其中輸入信號和輸出信號見如下表1：

表：發(fā)射監(jiān)控輸入、輸出信號表

從上表分析，信號主要有幾種類型：串口的收發(fā)信號、TTL信號和差分信號。對于單端的TTL信號的輸入和輸出，直接通過驅(qū)動電路，與FPGA的管腳相連接。

圖2.單端信號輸入

圖3.差分轉(zhuǎn)單端電路

由于風(fēng)機的控制電平是12V，因此選用了光電耦合器進行了電平轉(zhuǎn)換。

圖4.電平轉(zhuǎn)換電路

（二）FPGA器件選擇

根據(jù)I O接口數(shù)量和成本綜合考慮，本系統(tǒng)選用了EP3C25F256C8芯片。FPGA的程序下載和通信接口配置見圖5：

圖5.FPGA配置電路

（三）電磁兼容設(shè)計[1]

固態(tài)發(fā)射機相對真空管發(fā)射機的工作電壓下降到48V，但其電流卻高達70A，電磁環(huán)境還是比較惡劣的。為了提高監(jiān)控的抗干擾能力，在與發(fā)射機內(nèi)部相連的電路中串入濾波器。各類電源之間增加磁珠、電解電容和陶瓷電容濾波，減小紋波及相互之間的干擾。在電路板制版時，將電容放在電源管腳附近。將模擬地和數(shù)字地分開設(shè)計，并整層鋪設(shè)，增大電源面積，增強抗干擾能力。

除了硬件系統(tǒng)中增加了抗干擾措施，在軟件中對易受干擾的門套信號進行三級D觸發(fā)器觸發(fā)，過濾掉干擾信號，對脈沖整形后再進行其他的處理。

三、軟件設(shè)計

所有的控制信號和BITE信號進入FPGA后，將進行相邏輯控制、故障處理和串口通訊三部分主要功能。

（一）串口通訊

發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)與系統(tǒng)監(jiān)控的通訊通過RS422[2]進行信號傳遞：接收來自系統(tǒng)監(jiān)控的控制命令和將發(fā)射機的工作狀態(tài)反饋給主監(jiān)控。二者通過約定的協(xié)議進行信號打包和解析。

根據(jù)約定協(xié)議，將接收到的控制信號解析后送往控制模塊，同時將發(fā)射機各個設(shè)備的BITE信號按照協(xié)議字節(jié)的定義打包上傳給主監(jiān)控。圖6為串口的收發(fā)配置模塊。

圖6. 串口收發(fā)模塊

（二）邏輯控制

發(fā)射系統(tǒng)中的控制設(shè)備有：前級組件、末級組件、射頻電源、風(fēng)機電源和風(fēng)機系統(tǒng)幾大部分，根據(jù)命令發(fā)出為上位機還是本地按鍵選擇相應(yīng)的電源和調(diào)制信號的加載，詳細工作流程見圖7。

圖7.發(fā)射機工作流程

（三）故障處理

發(fā)射機故障主要有：組件故障、門套故障、電源故障和風(fēng)機故障，組件故障和電源故障從設(shè)備的BITE故障檢測電路直接送入，不需要做其他處理。門套故障對門套信號進行相關(guān)的算法檢測[3]，可以產(chǎn)生過脈寬故障和過工作比故障，該故障的優(yōu)先級別高，需要與射頻調(diào)制信號關(guān)聯(lián)，當(dāng)此故障發(fā)生時，需立刻切斷射頻信號。

考慮到風(fēng)機工作的模式，其故障輸出需要延時10秒，否則會影響風(fēng)機的正常工作。

四、總結(jié)

本系統(tǒng)同時在三種型號發(fā)射機產(chǎn)品中安全運行10000小時以上，發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定。由于FPGA具有較大的單元，輸入輸出接口多，即輕松地實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，并通過與上位機實現(xiàn)串口通訊，大大減少分立器件和接口電路的數(shù)量；又能同時滿足多型發(fā)射系統(tǒng)的需求，形成模塊化設(shè)計。在電磁兼容設(shè)計中，借用以前的產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，從軟硬件兩方面同時加強抗干擾措施，克服了小信號抗干擾能力差的缺點，大大提高了電路的穩(wěn)定性和系統(tǒng)工作的可靠性，從而為縮短發(fā)射機研制周期、縮小發(fā)射體機和提高產(chǎn)品性能奠定良好的基礎(chǔ)。