CINRAD/SA雷達發射機主控板芯片級故障診斷技術

劉 潔, 邵 楠, 陳玉寶

(中國氣象局氣象探測中心,北京 100081)

0 引言

“十三五”建設任務完成后,中國將建成由270余部天氣雷達組成的監測網。隨著雷達數量增多,雷達故障總量越來越多,發射系統是雷達故障高發的分系統。發射系統不僅有集成電路、分立半導體電路,還有固態調制器和高壓電路,電路復雜,故障率高,一直是新一代天氣雷達故障維修難點。王志武等[1-2]介紹了電子設備規范化維修流程和FTD,楊傳風等[3-19]從不同方面介紹了天氣雷達故障處理方法。所有上述故障維修都是基于分機和組件級故障診斷,沒有針對發射機的控制系統,尤其是控制板的芯片級故障診斷進行研究,控制板主要由集成電路組成,信號傳輸都是數字信號,電路復雜,是發射機故障診斷的難點。本文針對新一代天氣雷達SA型(CINRAD/SA)雷達發射機主控板器件級故障診斷技術進行研究。根據主控板同功能電路內芯片可以通用的特點,通過總結發射機主控板的時序信號、故障報警信號、狀態信號等信號流程,結合關鍵器件的通用性特點和關鍵點參數(波形、電平)測試,研究出主控板芯片級故障診斷方法,通過故障診斷驗證了技術可行性,表明主控板芯片級故障診斷方法可快速定位故障芯片。基層雷達技術人員只要熟悉主控板信號流程,不需要借助昂貴的測試儀表。使用該方法,一方面提高了發射機故障診斷效率,保障了天氣雷達可靠、穩定運行;另一方面降低了維修成本。

1 信號流程

控制保護板3A3A1是發射機的控制核心,而單片機及現場可編程門陣列FPGA、復雜可編程邏輯器件CPLD則又是控制保護板的核心。發射機主控板信號包括來自接收機數字中頻的發射機時序信號、控制命令等,以及發射機經DAU上報到RDA計算機的發射機報警信息、狀態信息等。

發射機內部接口信號有:定時信號、故障信號、狀態信號和控制信號。

發射機7路定時脈沖信號,由FPGA輸出至發射機內部各單元。

狀態信號包括:本控/遙控信號、手動/自動信號、燈測試信號、高壓通信號、高壓斷信號、故障復位信號和顯示復位信號。

故障信號包括:電網超限信號、低壓電源綜合故障信號、燈絲電壓失常信號、鈦泵電壓過低信號、磁場電壓失常信號、磁場電流失常信號、磁場風流量故障信號、觸發器綜合故障信號、調制器過流信號、調制器反峰過流信號、調制器開關管故障信號、鈦泵過流信號、速調管風溫過高信號、速調管風流量故障信號、油溫過高信號、油面過低信號、機柜風流量故障信號、機柜溫度過高信號、機柜門開關故障信號、后充電校平維修請求信號、調制開關維修請求信號、重復頻率過高信號、燈絲電流失常信號、束流過大信號、充電反饋過流信號、充電系統故障信號、充電過壓信號和人工線過流信號。這些信號經光耦隔離后,送入主控板。

控制信號有:復位控制信號、脈寬選擇控制信號、使能控制信號。這些信號,由FPGA經光耦隔離,送至各單元。

信號流程如圖1所示。

圖1 主控板信號流程

所有分級、模塊的外部故障、狀態、指令輸入都經過光耦隔離器后進入FPGA,而FPGA給各個分機、模塊的指令和使能輸出也經過反向驅動器和光耦隔離器后送出。發射機同步信號流程見圖2,故障報警信號流程見圖3,使能控制信號流程見圖4。

圖2 發射機同步信號信號流程圖

圖3 故障報警信號流程圖

圖4 使能控制信號流程圖

2 關鍵點波形

關鍵點波形正確與否是診斷故障到芯片級器件的一個重要依據,結合主控板芯片級故障診斷方法就可以快速定位故障到芯片電路。來自接收機數字中頻的發射機7路定時脈沖信號見表1。使能信號都是低電平,正常工作是通過低電平控制各組件工作;報警信號報警狀態光耦輸入為低電平信號,輸出到FPGA為低電平信號,雷達正常工作狀態,光耦輸入為高電平信號,輸出到FPGA為高電平信號。

表1 發射機7路定時脈沖信號波形

其中,接收機口板XP2的第10個端口為GND;第7個端口為保護器命令信號,正脈沖信號,信號幅度3.3 V,脈寬16 μs;第8個端口為保護器響應信號,正脈沖信號,信號幅度2.2 V。

3 故障診斷技術與方法

發射機控制保護系統故障通常出現以下現象:無定時觸發信號輸出;無使能信號或使能信號電平輸出不正常(正常為低電平);由于器件損壞或性能參數不穩定造成錯誤的報警或保護性停機(如:差分接收發送芯片抗干擾差導致虛警、隔離光耦損壞等);脈寬、高壓通斷、準加控制等出現故障。

控制保護系統故障一般有3種情況。(1)檢查控制保護系統的輸入、輸出信號。若輸入信號正常,但輸出信號不正常;或者輸出使能信號不正常導致高壓準加控制不正常。(2)若出現監控系統發出高壓控制指令(接通高壓)后,發射機不工作(人工線無高壓),報高壓軟啟動連鎖故障,但整流組件3A2延時軟啟動回報信號正常。(3)高壓準加時間不正常,準加燈一直不亮或預熱時間不到13分鐘。

在定位到主控板故障后,有兩種定位到故障芯片的方法:按照信號流程采用測量信號波形或電平高低是否正常定位故障芯片;按照信號流程采用從后級到前級更換器件方法,首先更換易損的差分接收發送芯片,再排查光耦隔離芯片,直到找出故障芯片,使主控板輸出信號正常。

對于其中一路定時觸發信號不正常的情況,按照信號流程采用示波器測量逐級測量功能模塊的輸入和輸出信號,主控板輸入觸發信號為差分脈沖信號,脈寬0.8 μs,幅度3.3V,經差分輸出后變為脈寬0.8 μs、幅度3.3 V的正脈沖信號,在經過非門輸出為脈寬0.8 μs、幅度3.3 V的負脈沖信號,最后經過光耦輸出到D1(FPGA)的信號為脈寬0.8 μs、幅度3.3 V的正脈沖信號;D1(FPGA)通過和輸入相反信號處理過程,把觸發信號輸出到發射機各分機。對于每個功能模塊(集成芯片)如果輸入信號正常但輸出信號不正常,說明這個芯片故障。一般先測量數字中頻輸出的觸發信號,如正常則按照差分接收、非門、光耦順序檢查輸入路徑的芯片是否有問題,如果波形都正常,則按照非門、光耦、差分發送順序檢查輸出路徑的芯片是否有問題,直至找出故障芯片。

對于由主控板故障導致報警虛警問題,首先測量報警光耦輸入信號是否為低電平,如為低電平說明主控板前級故障報警;如果為高電平,則測量報警光耦輸出。如果為低電平,說明光耦故障;如果輸出為高電平,則D1故障或者線路板問題。

如果不熟悉儀表測量方法,可以采用更換相同型號芯片的方法。主控板電路中差分發送接收芯片、光耦芯片等,大部分型號都是一樣的,可以進行對換,如果對換后故障依舊,說明對換的芯片正常,可以按照信號流程繼續下一級芯片對換,直到對換后故障發生變化,說明對換的芯片故障,更換故障芯片即可。

4 典型故障

故障現象:發射機加高壓后無人工線電壓。故障分析診斷:發射機加高壓后,用示波器測量開關組件3A10無充電觸發脈沖信號(不是正常的脈寬0.8 μs、幅度3.3 V脈沖差分信號,而是低電平信號);再測量接收機接口板發射機測量端口XP2的第5個端口測量數字中頻輸出充電觸發脈沖信號正常(為脈寬0.8 μs、幅度3.3 V負脈沖信號),說明主控板問題。進一步用示波器測量發射機主控板差分接收芯片D15輸入(1和2腳)差分信號正常(為脈寬0.8 μs、幅度3.3 V的脈沖差分信號),輸出(3腳)沒有脈寬0.8 μs、幅度3.3 V正脈沖信號,而是低電平信號,說明主控板充電觸發脈沖信號接收通道的差分接收芯片故障,更換D15后雷達恢復正常。

故障現象:發射機報警——發射機過壓。故障分析診斷:采用調壓器法,0 V狀態開高壓,仍報警,說明發射機過壓為虛警,檢查發射機開關組件3A10人工線過壓報警非門D15/6腳輸出為正常高電平(不是報警低電平狀態),更換光耦N27后故障依舊,說明是主控板問題,依據發射機報警信號流程,采用對換法,更換報警電路集成塊V9后,雷達恢復正常。

5 結束語

(1)主控板故障維修如果要達到芯片級,必須熟悉線路圖中關鍵芯片的輸入、輸出信號特征,分析故障導致的原因,準確區分是主控板故障還是主控板前級或后級故障,通過波形測試或互換器件來定位故障到芯片級。

(2)通過主控板信號流程了解故障因果關系,主控板芯片級關鍵點的性能參數(波形、電平等)應輸入到對應的測試維修數據庫中,以便維修時關鍵點波形對比查詢,可以快速定位故障點,提高故障診斷效率,這對國家級雷達故障診斷平臺的故障自動診斷建模,以及故障人工智能診斷具有重要意義。