一種大功率微波開關原位檢查儀設計

管亮中，胡華強，周 剛

(1.空軍工程大學，河南 信陽 464000；2.解放軍95965部隊，山東 德州 253000)

0 引 言

電子戰裝備覆蓋頻率廣，空域大，為了實現大功率、寬頻帶的電子干擾，大多采用空間多波束功率合成技術，在覆蓋的頻段范圍內分別設置多個發射機。為此，每個發射機配套設置多個大功率微波開關。以某型任務系統為例，其大功率微波開關多達60多個。為了檢測其微波開關性能，需要將任務系統顯控裝置和發射機同時加電，3～4人同時配合，通過軟件控制微波開關陣工作，采用人工監聽的方式判斷開關是否閉合或者斷開。這種檢測方式一方面消耗了發射機核心器件行波管的壽命，另一方面結果不可靠、檢測效率低，難以滿足部隊戰訓任務需求，為此，急需研制一種便攜式原位檢查儀，以便1個人即可完成其性能檢測并記錄結果，提高任務系統的保障效率。

1 理論分析

大功率微波開關主要是指SP2T、SP3T開關，其控制信號是直流28 V。SP2T微波開關有1根控制線，如果控制線接地，微波開關通道1和公共端閉合；如果控制線接直流28 V，通道2和公共端閉合。同理，微波開關SP3T有2根控制線，也采用同樣的控制方法。每個微波開關除了以上的控制信號輸入端口、微波信號的輸入/輸出端口，還有相應的狀態監控信號輸出端口。通過讀取狀態監控信號能夠判斷出微波開關的當前狀態，其工作原理如圖1所示。

圖1 大功率微波開關原理圖

通過以上的分析可以知道：SP2T、SP3T開關陣列中每個開關的某種狀態都有相應的控制和監測信號，如果能夠對這些信號進行控制和回讀，就能知道微波開關當前工作的狀態，從而判定其是否能夠正常閉合和斷開。因此可以利用這個監測接口來對SP2T和SP3T開關陣列進行測試，通過研制控制電路來選擇不同波段的開關陣列，利用軟件給出檢測結果并進行記錄，從而達到快速檢測和定位的目的。

2 原位檢查儀設計

大功率微波開關原位檢查儀主要包括高級指令微處理器(ARM)嵌入式系統、顯示接口電路、觸摸屏及顯示器、開關驅動電路、信號采集電路、電源管理電路及配套測試電纜等，組成框圖如圖2所示。

圖2 大功率微波開關原位檢查儀組成框圖

2.1 ARM嵌入式系統

嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。便攜式原位檢查儀選用的嵌入式系統是以Samsung S5PV210芯片作為處理控制核心，運行主頻可高達1 GHz。該系統采用專業穩定的CPU內核電源芯片和復位芯片來保證系統運行時的穩定性；采用沉金工藝的七層板設計，專業等長布線，保證關鍵信號線的信號完整性。該嵌入式系統具有體積小、功耗低、運算速度快、中斷響應時間短、支持實時多任務等優點。

2.2 顯示接口電路

顯示接口電路包括4線電阻式觸摸屏接口和群創23.33 cm(7寸)真彩薄膜晶體管液晶顯示器(LCD)，該LCD為電阻式觸摸屏，屏幕分辨率可達800×480，顯示面積大，色彩還原度較高。由于市場上的貨架產品顯示接口普遍采用扁平線設計，可靠性較差，因此LCD顯示屏外部接口進行了定制，采用了可靠性較高的IDC40壓線接口，從使用情況來看可靠性較好。

2.3 電源管理電路

電源管理是整個大功率微波開關原位檢查儀設計的關鍵所在，根據指標要求，外部供電方式有交流220 V和直流28 V，內部采用大容量鋰電池進行供電，檢查儀用電需求包括微波開關所需要的直流28 V、ARM嵌入式系統所需要的直流5 V、開關驅動電路所需要的直流12 V以及信號采集電路所需要的直流3.3 V，因此供電方式多樣，輸出電壓范圍跨度大，同時要滿足連續工作時間不小于4 h的要求。

(1) 電池選擇

在電池選擇上，如果采用鎳氫電池，其優點是電壓可以直接做到直流28 V，容量大，但缺點也很明顯，體積不能滿足要求。為了保證設備的小型化要求，采用單位體積容量最大的鋰電池是最佳方案，而目前市場上的鋰電池可以做到直流12 V或直流24 V，不能夠直接使用，需要進行電壓的二次變換。

由于要求連續工作時間不小于4 h，通過對耗電量進行分析，每個大功率微波開關切換時的靜態電流為200 mA，峰值電流為400 mA，連續工作4 h耗電量不大于50 W。ARM嵌入式系統(包括液晶顯示屏)最大耗電電流不大于2 000 mA，連續工作4 h耗電量不大于50 W；驅動電路板和信號采集板4 h的最大耗電量不大于50 W，因此所選用的鋰電池容量要不小于150 W。

綜合考慮以上供放電需求，檢查儀采用直流12 V容量20 Ah的鋰電池，采用大電流保護板，放電電流可以達到5 A以上，因此無論是在功耗上還是在放電電流上都可以滿足要求。并且在電池盒設計時充分考慮拆卸的便捷性，電池盒外形如圖3所示。

圖3 電池盒外形圖

(2) 升壓電路設計

由于采用直流12 V的鋰電池，因此為了滿足大功率微波開關測試的電壓需求，需要設計直流12 V到直流28 V的升壓電路。在設計升壓電路時，要滿足輸入電壓范圍寬、轉換效率高及驅動電流大的要求。通過比較選擇，升壓電路采用XL6009-ADJ可調升壓芯片，其輸入電壓范圍可以達到4～40 V。通過調整外接電阻，可以使輸出電壓固定到直流28 V，既可以滿足鋰電池的升壓要求，也能夠直接采用外部直流28 V進行供電，不需要再單獨設計電源切換電路，升壓電路原理如圖4所示。

圖4 升壓電路原理圖

(3) 降壓電路設計

降壓電路設計主要是滿足ARM嵌入式系統和信號采集電路板的供電需求，同時考慮到要直接采用直流28 V進行供電，因此選擇降壓芯片時也要滿足輸入電壓范圍寬、轉換效率高的要求，并且考慮到電源系統的穩定性，嵌入式系統和信號采集板采用分離供電方式，分別選擇降壓芯片XL1509-5 V和XL1509-3.3 V，輸入電壓范圍可以達到5～40 V，轉換效率達到95%，其電路原理如圖5所示。

圖5 降壓電路原理圖

2.4 開關驅動電路

開關驅動電路用于控制大功率微波開關的閉合和斷開，由于其工作電壓為直流28 V，電流最大可以達到400 mA，因此在驅動電路設計時必須充分考慮滿足大功率負載的要求，根據研制方案可以采用手動開關切換、自動光電耦合器切換以及繼電器切換等方式。如果采用手動開關切換的方式，由于要滿足8路SP3T和4路SP2T微波開關切換的要求，檢查儀體積較大，并且測試時間長，效率低；如果采用光電耦合器切換的方式可以有效減小設備體積和降低功耗。但由于光電耦合器在高溫時的可靠性難以保證，經過反復試驗、選擇，采用歐姆龍的雙路繼電器進行開關切換。其體積小，在直流30 V的情況下電流可以達到2 A，完全可以滿足大功率微波開關切換的要求。同時是雙路切換，一路用來控制，另外一路可以進行檢測。整個開關驅動電路由16個繼電器及繼電器驅動電路組成，電路原理如圖6所示。

圖6 開關驅動電路原理圖

2.5 信號采集電路

信號采集電路主要功能是讀取每個開關的閉合狀態信號，按照1組SP3T大功率微波開關的測試需求設計，需要對24路信號進行檢測。同時信號采集電路也要對電池電壓、控制電壓等電源信號進行實時監控，保證被測設備安全，因此信號采集電路還設計有模/數(A/D)變換電路，用于對電壓信號進行變換。

(1) 開關狀態讀取電路

開關狀態讀取電路需要對24路狀態信號進行讀取，24路狀態信號可以設置為TTL電平。由于每次測試只需要讀取1路狀態信號，因此24路狀態信號可以共用1路數字I/O進行測試，只需要設計相應的狀態信號切換電路即可。考慮到狀態信號電流較小，并且是TTL電平，采用多路模擬開關進行控制即可，電路原理如圖7所示。

圖7 開關狀態讀取電路原理圖

(2) A/D變換電路

A/D變換電路主要對鋰電池電壓和大功率微波開關驅動電壓進行監控，如果鋰電池電壓小于10 V，欠壓指示燈就會點亮。在對微波開關進行測試時，開關閉合之前對DC28 V進行檢測，只有在標準范圍之內才允許輸出閉合控制信號，閉合信號輸出之后，還需要對繼電器輸出電壓進行檢測，待這2個電壓都在標準范圍之內后，再讀取大功率微波開關狀態回線，這樣做既可以保證大功率微波開關不會被意外燒毀，同時也能夠確認測試結果的可靠性。A/D變換電路的原理如圖8所示。

圖8 A/D變換電路原理框圖

2.6 控制電路設計

控制電路以C8051F020單片機為主體，主要對開關驅動電路和信號采集電路的工作狀態進行控制，讀取測試結果，然后通過通信接口上報測試結果，為了保證工作的可靠性，控制電路在硬件上設計有復位電路，軟件上采用看門狗監控，保證系統可靠運行，其原理結構圖如圖9所示。

圖9 控制電路原理框圖

2.7 測試軟件設計

檢查儀應用軟件采用Windows CE6.0操作系統開發完成，包括依附于操作系統環境的應用程序及相關驅動程序兩部分。驅動程序包括顯示驅動、通信接口驅動等，是系統軟件和硬件之間的橋梁。應用程序是整個系統功能的最終執行者，利用模塊化的設計思想，主要由測試設置、功能測試、輔助測試、結果管理及系統設置等組成，軟件結構如圖10所示。

圖10 測試系統軟件結構

3 結束語

任務系統保障效率是提升裝備完好性、提高裝備戰斗力的重要一環。為了提高某型任務系統大功率微波開關性能檢測效率，設計了一種原位檢查儀，通過實裝測試，該設備可在開關原有位置完成性能測試，從以往的3～4人系統保障到目前僅需1人即可完成測試，大大節約了人力資源、減小了檢測時間，提高了任務保障效率。