便攜式雷達電源檢測維修系統(tǒng)設(shè)計

(中國人民解放軍 61191部隊，杭州 310023)

0 引言

大型預(yù)警相控陣雷達是一個國家綜合實力的重要體現(xiàn)，是各大國爭相發(fā)展的戰(zhàn)略力量。而大型相控陣雷達分系統(tǒng)多、設(shè)備量大、運維難度高，也給一線裝備保障人員提出了很高的要求。大型相控陣雷達中的各分系統(tǒng)為保證正常工作通常需要配備多種型號電源，在實際工作中因電源種類繁多、數(shù)量龐大、測試困難、不易拆裝、返廠維修周期長[1]，且故障定位比較困難，給裝備維修工作帶來諸多不便，不利于雷達系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的充分發(fā)揮。因此能夠快速對電源系統(tǒng)進行故障定位，完成對故障電源的自主維修顯得尤為重要，是裝備保障工作的一個重要工作。

大型相控陣雷達為保證較大的探測距離和較高的探測精度，發(fā)射功率是一個重要性能指標，其發(fā)射峰值功率可達兆瓦級，配備的T/R組件數(shù)量少則上千，多則上萬，為T/R組件中功率放大器提供能量的電源數(shù)量同樣龐大。各分系統(tǒng)中為譯碼器、移相器、低噪聲放大器、各種傳感器和刀片式插箱供電而配備的電源也有多種型號。雷達中用到的航空電纜插頭均輸出多種電壓，且此航空插頭管腳多且密集，測試難度大，測試操作中存在一定危險性。

本文采用“FPGA+ARM”的硬件架構(gòu)作為通信控制中樞，與自主研發(fā)的A/D數(shù)據(jù)采集板和通用化ePC-K70-Lite-L一體化模組配合完成某型雷達多種電源的測試工作，構(gòu)建了一套手持便攜式電源診斷維修系統(tǒng)[2]。實際使用中，可對某型雷達3大類13種電源實現(xiàn)在線控制、參數(shù)讀取和賦值，可實現(xiàn)同時對一個航空插頭內(nèi)最多8組電源參數(shù)的檢測，測試時間由原來的5分鐘縮短到10秒內(nèi)，電源參數(shù)檢測準確率達99%以上，依靠其自身供電連續(xù)工作達5小時以上，達到現(xiàn)場對電源進行快速故障診斷[3]、定位和維修的目標，提高了自主維修能力和維修效率，縮短了電源類故障的修復(fù)時間。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

該便攜式電源檢測維修系統(tǒng)主要由FPGA核心板、電源測試采集板、ePC-K70-Lite-L一體化模組、電池及配套測試連接電纜組成，除測試連接電纜外其它設(shè)備均安裝在同一個小型機箱(30 cm×20 cm×8 cm)內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。豐富的硬件資源結(jié)合靈活的數(shù)據(jù)分析及故障診斷軟件，在人機交互界面的調(diào)度下，充分利用剪裁式操作系統(tǒng)的低功耗、穩(wěn)定性和靈活性。

圖1 便攜式電源測試儀系統(tǒng)設(shè)計框圖

該電源檢測維修系統(tǒng)通過ePC-K70-Lite-L一體化模組內(nèi)運行的數(shù)據(jù)分析處理及故障診斷軟件的人機交互界面啟動電源測試任務(wù)，一體化模組通過RS-485總線發(fā)送采集控制指令到FPGA核心板。首先，設(shè)置FPGA核心板數(shù)據(jù)采集模塊工作狀態(tài)，采用專用測試電纜將多組被測數(shù)據(jù)同時傳輸至機箱，完成采集和量化后，經(jīng)SPI總線[4]從電源參數(shù)采集與A/D轉(zhuǎn)換模塊獲取測試數(shù)據(jù)，送FPGA核心板內(nèi)進行數(shù)字濾波處理，最后再傳輸?shù)絜PC-K70-Lite-L一體化模組內(nèi)的數(shù)據(jù)分析及故障診斷軟件完成可監(jiān)測組合電源的參數(shù)讀取、診斷、修改和故障定位維修。

因大型雷達電源數(shù)量龐大，通常會在電源內(nèi)部設(shè)置地址碼，以方便對其位置進行索引。而在實際使用過程中，由于器件損壞、備件更換等原因，導(dǎo)致新安裝的電源內(nèi)地址碼與實際位置不符，需要及時進行修改，避免因地址碼錯誤造成裝備電源檢測故障。另外，可監(jiān)控電源內(nèi)各參數(shù)根據(jù)比例偏移函數(shù)(K、B值)會對采集到的數(shù)據(jù)進行修正以顯示真值，由于出廠設(shè)定或受惡劣電磁環(huán)境影響，會造成檢測到的值與真值不符，造成電源故障檢測的誤判。在人機交互界面設(shè)置正確的地址碼和合適的K、B值，通過RS-485通信總線可在線實現(xiàn)地址碼和K、B值的讀取和重新賦值，提高了電源監(jiān)測的準確性，有效提升維修效率，降低維修復(fù)雜度，可滿足電源測試通用性、靈活性、即插即用的要求。

2 硬件設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要功能模塊全部放置在一個小型機箱內(nèi)，采用4塊2 000 mAh的可充電鋰電池(型號：68750)供電，續(xù)航能力大于5小時，可滿足日常檢修需求。

2.1 基于FPGA的自適應(yīng)數(shù)字濾波核心板設(shè)計

某型雷達天線樓內(nèi)電磁環(huán)境惡劣，對電源參數(shù)采集有一定影響，特別是對低紋波電源數(shù)據(jù)采集影響較大，嚴重時會導(dǎo)致性能已經(jīng)有所下降的電源不能及時發(fā)現(xiàn)，形成誤判，造成潛在故障隱患。通過對現(xiàn)場干擾信號監(jiān)測和分析可知，主要干擾源為雷達工作頻段的副瓣信號和10 kHz的PWM(pulse width modulation)信號，如圖2所示。

圖2 10 kHz的PWM干擾信號

為去除干擾對電源測試的影響，常用的軟件濾波算法對PWM信號類型和周期性脈沖類型的干擾處理效果不佳，而數(shù)字濾波算法具備較高的精度和穩(wěn)定性，可根據(jù)應(yīng)用場景更改系統(tǒng)函數(shù)，靈活性高，在FPGA中容易實現(xiàn)。通過選擇合適的FIR濾波器系統(tǒng)函數(shù)，可有針對性地過濾上述特定干擾信號，具有較好的濾波效果，滿足在復(fù)雜電磁環(huán)境下電源參數(shù)精密測量的需要。利用MATLAB工具箱編寫濾波器函數(shù)，生成了由恒定電平、10 kHz的PWM信號、脈沖(100 Hz的占空比為2%的脈沖信號)調(diào)制的中心頻率為雷達工作頻點的線性調(diào)頻信號的混合信號，如圖3所示。

圖3 模擬混合測試信號

為獲得最佳濾波器性能，通過對比觀察輸入輸出頻譜，綜合考慮處理速度和效果，最終確定濾波器級數(shù)為18，截止頻率為200Hz。濾波效果如圖4所示。

圖4 濾波效果

FPGA核心板選用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片作為核心芯片[5]，其具有可配置FIR濾波器的IP核。選擇使用矩形窗函數(shù)的FIR Compiler V13.0的IP核[6]，根據(jù)仿真結(jié)果，完成濾波器參數(shù)配置，將采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理，其信號處理流程邏輯框圖如圖5。

圖5 FPGA核心板設(shè)計邏輯框圖

當便攜式電源檢測維修系統(tǒng)工作時，由一個20 MHz的高穩(wěn)晶振為FPGA提供工作時鐘[7]，時鐘分配模塊采用FPGA芯片提供的時鐘分配解決方案，利用其內(nèi)部鎖相環(huán)為各功能模塊配置時鐘。FPGA核心控制板通過RS-485總線與ePC-K70-Lite-L一體化模組進行交互，一體化模組向FPGA核心板下發(fā)被測電源標準配置參數(shù)，經(jīng)FPGA譯碼后配置內(nèi)部資源，選通所需測試電源對應(yīng)的接口，而后開始進行電源數(shù)據(jù)采集。將采集到的并行數(shù)據(jù)存入輸入緩沖，在系統(tǒng)時鐘調(diào)度下完成串并轉(zhuǎn)換，在FIR濾波器IP核中實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的濾波處理后，最后將分析處理完的數(shù)據(jù)傳至輸出緩沖，并最終傳送至數(shù)據(jù)分析處理及故障診斷軟件進行數(shù)值分析和故障診斷定位。

2.2 電源參數(shù)采集及A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案

電源參數(shù)采集及轉(zhuǎn)換電路主要完成多種類電源參數(shù)的采集與轉(zhuǎn)換功能[8]，其采集的速度及精度直接影響到整個測試設(shè)備的工作效率和性能。為了能夠使后端A/D轉(zhuǎn)換電路得到穩(wěn)定增益，選取Ad8664芯片，它采用ADI公司的DigiTRim[9]調(diào)整技術(shù)，四路軌到軌輸出、單電源放大器，具有低輸入偏置電流、低噪聲、低失調(diào)和寬帶寬等特性組合優(yōu)勢。其硬件設(shè)計框圖如圖6所示。

圖6 電壓信號采集及轉(zhuǎn)換電路設(shè)計框圖

某型雷達電源維修中，在一個航空插頭內(nèi)最多需對8組電源進行同時檢測，故A/D轉(zhuǎn)換電路選用MXA1270芯片，MXA1270是8通道、多量程雙極性輸入、串行輸出、逐次逼近型12位A/D轉(zhuǎn)換器，最高采樣率為110 ks/s。在單+5 V電源供電下，可通過編程實現(xiàn)多種不同量程，滿足電源制式和測試精度的需求。FPGA核心板通過SPI總線完成對ADC的配置，12位測試量化數(shù)據(jù)的讀取并傳送至數(shù)據(jù)分析模塊進行后續(xù)處理分析。

3 系統(tǒng)運行環(huán)境部署和軟件設(shè)計方案

為保證設(shè)備的便攜性及長續(xù)航特性，系統(tǒng)各子模塊需盡量降低功耗，使系統(tǒng)能夠在有限電量條件下獲得最大續(xù)航，同時保證操作的便捷性，一體化模組需提供不小于800*600分辨率顯示，并保證觸摸輸入及良好的用戶交互體驗。經(jīng)實際測試，運行了根據(jù)需要裁減與移植的Linux系統(tǒng)后，配備基于ARM9的低功耗三星S3C2410芯片核心板的一體化模組的功耗可控制在1.5 W以內(nèi)，符合系統(tǒng)低功耗的要求。因S3C2410芯片主頻僅為400 MHz，為保證用戶體驗，操作系統(tǒng)摒棄了GTK圖形環(huán)境，選用了基于直接幀緩沖的Qt/embedded作為圖形接口。其應(yīng)用程序可以直接寫入內(nèi)核幀緩沖區(qū)，通過Qt/embedded開發(fā)的交互軟件在占用很少系統(tǒng)資源的前提下，完成了在S3C2410上的移植與部署[10]，實現(xiàn)了較完善的人機交互環(huán)境。

3.1 基于ARM的嵌入式Linux系統(tǒng)裁減與配置

一體化模組內(nèi)運行的系統(tǒng)移植基于arm-linux-gcc-4.3.2編譯環(huán)境主要分為兩個部分。

1)BootLoader的移植：

ARM處理器啟動主要過程主要分為Stage1和Stage2兩個階段，如圖7所示。

圖7 ARM啟動過程

S3C2410處理器針對Linux可配套使用的BootLoader主要為vivi及其各個功能增強版。為測試任務(wù)部署和方便后期開發(fā)，系統(tǒng)選擇了具備外接SD卡自動升級功能的vivi版本，根據(jù)核心板引接跳線情況，設(shè)置了根據(jù)跳線連接狀態(tài)自動升級系統(tǒng)的選項，經(jīng)過編譯后使用JTAG線纜燒錄到了核心板中。

2)Linux的移植：

Linux移植主要包括內(nèi)核版本的確定，內(nèi)核編譯環(huán)境的搭建，內(nèi)核與驅(qū)動的裁剪，Ram Disk的制作，下載測試等幾個階段。

(1)確定內(nèi)核版本。由S3C2410處理器決定了選用內(nèi)核的最高版本為2.6.X，根據(jù)官方手冊及Linux內(nèi)核手冊建議，選擇了適配性最佳的2.4.24版本。

(2)搭建內(nèi)核編譯環(huán)境。移植前需要在宿主機上建立ARM的交叉編譯環(huán)境，宿主機選用了Ubuntu_10.04_LTS版本，主要用到的開發(fā)工具包括3個部分：binutils、gcc、glibc。其中，binutils是二進制文件的處理工具；gcc是編譯工具；glibc是鏈接和運行庫。所有需要用到的工具均使用處理器手冊建議官方二進制版本：binutils-2.11.2，gcc-2.95.3和glibc-2.2.3[11]。

(3)裁剪內(nèi)核與驅(qū)動。Linux內(nèi)核是一個模塊化結(jié)構(gòu)，其任何功能都可以選擇靜態(tài)加載、動態(tài)加載或不加載的方式，進而來控制內(nèi)核大小以適應(yīng)不同系統(tǒng)運行環(huán)境。在S3C2410核心板中由于硬件環(huán)境已經(jīng)確定，且系統(tǒng)資源有限，使用了menuconfig工具對內(nèi)核進行深度裁剪與定制。

(4)制作Ram Disk。Ram Disk實際上是把系統(tǒng)內(nèi)存劃出一部分當作存儲器使用。對于操作系統(tǒng)來講內(nèi)存的存取速度遠遠大于Flash，所以嵌入式系統(tǒng)中根據(jù)實際情況需要把常用應(yīng)用程序都安裝在Ram Disk的驅(qū)動器中，然后用內(nèi)存的速度運行它。

ARM Linux采用Ram Disk的方式來裝載根文件系統(tǒng)，所有在運行內(nèi)核之前，需要先制作Ram Disk，將必須的文件和設(shè)備加入到Ram Disk中，當內(nèi)核啟動后，會從指定地址去讀取根文件系統(tǒng)。

(5)下載測試。將制作完成的內(nèi)核和Ram Disk文件存入SD卡通過BootLoader的自動升級功能下載到核心板即可運行。

3.2 數(shù)據(jù)分析處理及故障診斷軟件

數(shù)據(jù)分析處理及故障診斷軟件基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，使用C++語言在跨平臺集成開發(fā)環(huán)境QT Creator上完成設(shè)計開發(fā)。使該軟件具有良好的跨平臺工作能力和人機交互界面，可方便的進行測試數(shù)據(jù)查詢和關(guān)鍵參數(shù)燒錄，并且占用極少的系統(tǒng)硬件資源[12]，保證了主體測試任務(wù)的順暢開展，軟件主要界面截圖如圖8所示。

圖8 軟件界面截圖展示

數(shù)據(jù)分析處理及故障診斷軟件按功能劃分主要由電源檢測分系統(tǒng)和參數(shù)燒錄分系統(tǒng)組成。其中電源監(jiān)測分系統(tǒng)主要包含測試任務(wù)規(guī)劃模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。參數(shù)燒錄分系統(tǒng)主要包含地址測試模塊、KB值測試模塊、保護點測試模塊。最終由綜合故障診斷模塊結(jié)合集成的維修經(jīng)驗對被測電源的故障診斷結(jié)果。該軟件設(shè)計框圖如圖9所示。

圖9 軟件系統(tǒng)設(shè)計框圖

4 實驗結(jié)果與分析

雷達接收系統(tǒng)中，需要低噪聲放大器放大微弱的目標反射回波信號以提升信噪比，進而完成后續(xù)的處理。而為低噪放提供低紋波4.6 V直流電源的質(zhì)量將直接影響雷達目標檢測的性能。經(jīng)過實際測試可知，本系統(tǒng)對低紋波電源的實測數(shù)據(jù)相比直接測試可獲得較高的準確度。

如圖10所示為對正常的低紋波4.6 V直流電源在沒有濾波處理和有濾波處理下，連續(xù)采集200組數(shù)據(jù)結(jié)果對比曲線。由圖10可知，經(jīng)過濾波處理的采集電源數(shù)據(jù)，可準確反映電源的工況，不會產(chǎn)生野值，為電源狀態(tài)分析和故障定位提供了準確的數(shù)據(jù)支撐。

圖10 低紋波4.6 V電源在有濾波與無濾波下結(jié)果對比

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的某型雷達便攜式電源檢測維修系統(tǒng)將電源參數(shù)測試硬件電路與基于ARM的嵌入式Linux操作系統(tǒng)相結(jié)合，綜合了某型雷達多種電源的測試經(jīng)驗和故障判別方法，通過良好的人機交互軟件，完成了多種電源的現(xiàn)場快速測量、故障診斷定位和參數(shù)在線修改燒錄，解決了裝備現(xiàn)場檢測維修不便的難題，提高了裝備的自主維護維修能力和維修效率，該系統(tǒng)至今已在某大型地基相控陣雷達裝備陣地得到應(yīng)用。系統(tǒng)在使用過程中，設(shè)備軟件運行穩(wěn)定，測量結(jié)果準確，縮短了維修時間，提高了維修效率，達到了預(yù)期效益，對同類大型雷達裝備的電源類器件的測試和維修工作提供了重要的經(jīng)驗借鑒和方式方法。