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1 引言 隨著數字化電子技術日新月異的發展,借鑒國外先進經驗與先進技術推動我國電子設備產業的發展勢在必行。復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device, cpld )作為國外最先進的一代大規模數字器件,以其可靠性高和邏輯設計靈活的優勢,在工業控制和軍事領域中得到了日益廣泛的應用。 機載雷達對發射機控制與保護系統（以下簡稱控保系統）要求十分嚴格,不僅要求它具有完備的實時邏輯控制與保護功能,而且對其所處的環境溫度與振動條件也要求十分苛刻。基于cpld技術的機載小型化控制與保護,采用了lattice 公司的isplsi1032-60lg可編程邏輯器件,工作溫度范圍從-55℃到125℃,抗振等性能較好;在設計過程中,應用數字處理技術實現了對雷達發射機的實時與復雜邏輯控制,采用數字時間濾波技術提高發射機控保的i/o抗干擾性能;另外,由于cpld具備良好的現場在線可編程能力,基于cpld的控保系統對中小型發射機來說,在通用化、系列化、組合化應用方面具有較高的推廣價值。 2 功能需求 控保系統是發射機系統的重要組成部分。其主要技術要求有： (1)完成對過溫、過壓、欠壓、真空度下降、管體過流、相關電源等的實時檢測。 (2)對發射機進行預熱延時處理,預熱完成后,按順序執行開高壓、開觸發、開激勵等過程。 (3)為發射機調制器提供預調脈沖與前級控制脈沖。預調脈沖包括開啟脈沖與關斷脈沖,預調脈沖需進行邏輯保護,兩個脈沖不可同時為高電平。 (4)實現對發射機定時信號的檢測,具有過ｄ與過τ保護功能。 (5)控保系統檢測到故障時,智能化關閉發射機。 3 硬件組成 雷達發射機控保主要由cpld、運算放大器電路、比較器電路、i/o接口電路、預調脈沖形成電路、控制及顯示電路組成。其硬件組成框圖如圖1所示。 圖1中,高壓檢測電路將傳感器檢測信號進行放大,并比較產生過壓與欠壓的ttl接口信號送至cpld,高壓信號為模擬量信號,以行波管（travelling wave tube,twt）發射機為例,高壓包括twt的陰極高壓和收集極高壓;過流、過溫、鈦泵電流檢測電路分別提供cpld過流、過溫、真空度等相關故障信號;接口電路主要接收雷達信號處理機提供的差分傳送開關發射機指令與工作定時信號等;顯示電路指示發射機故障信息和工作狀態信息。jatg接口提供cpld的在線編程接口。另外,該控保電路還提供了調制脈沖隔離變壓器用+20v電源和電路元器件用±12v電源。 4 工作原理 4.1 系統邏輯設計 基于cpld的小型化控保電路核心器件為cpld。系統采用4mhz晶振作時鐘基準脈沖,由cpld進行數字計數產生特定的時序關系,根據控制信息、發射機工作狀態和故障信息進行綜合評估,控保系統將各故障信息進行邏輯處理,產生故障結果,參與各節點的控制,實時保護和控制發射機開關機過程。 發射機控制與保護邏輯關系如圖2所示。指令信息包括開關高壓指令與開關調制指令,調制器用定時信號有兩組,一組為開啟脈沖,另一組為關斷脈沖,前級激勵信號控制導前脈沖形式。 4.2 上電復位與延時 控保上電復位十分重要,這里采用的是硬件外部復位與cpld的邏輯處理復位。其復位電路如圖3所示,reset來自于外部rc復位信號,當時鐘穩定后,cpld內部產生一個復位信號使得各電路中的d觸發器復位,將計數器同步清零。由于電路在上電初始階段各i/o口電平均處于暫態,沒有進入穩定工作狀態,這個過程實際上也是等待外圍i/o電平建立穩定。 4.3 過d、過τ保護 過d與過τ保護,即,過占空比與過脈沖寬度保護。當出現過d與過τ故障時,立即關斷激勵與觸發,以保護twt等關鍵性器件。其檢測與保護在該系統中是比較難的,脈沖寬度與脈沖重復頻率可變這一特點,使得信號時序關系實時處理也比較復雜。而過d與過τ保護原理比較簡單。這里舉例加以說明。 假設過d保護最大占空比為12.5%,過τ保護最大脈沖寬度為310μs。圖4(a)所示給出了待測的脈沖波形,占空比d等于τ/t,圖中τ1不等于τ2,t1不等于t2。 用于檢測的基準時鐘為4mhz,cpld從脈沖上升沿電平翻轉開始計數,當電平下降沿翻轉后停止計數并鎖存數據data1,所計數據為τ的值,它們的分辨率為1/4mhz,誤差為±0.25μs。將鎖存的數據進行數字比較,當data1大于310/0.25即1240時,發生過τ故障。這里采用able硬件描述語言設計了1240數字比較器,程序如下： equations out=(i＞=^d1240); end 脈沖信號上升沿觸發d觸發器,產生周期脈沖波形如圖4（b）所示,當圖4(b)中電平為高時對周期t1進行計數,為低時對周期t2進行計數,電平每發生一次翻轉,鎖存周期數據data2轉入下一個周期計數。采用圖4(a)脈沖波形上升沿作適當延時后的波形,用于數字比較器比較的觸發條件,當8倍的data1大于data2時,即發生過d故障。當過d/τ故障連續出現一定次數后,確認為故障,輸出相應故障信號。過d/τ保護邏輯框圖如圖5所示。圖6給出了過d/τ保護實時仿真所得的仿真結果。 4.4 i/o接口的抗干擾處理 真空電子管發射機由于具有高壓、大功率的特點,對于低壓控保電路而言,具備較高的抗干擾能力十分重要。isplsi1032-60lg型cpld本身的抗干擾能力較好,由于cpld的最大工作頻率為60mhz,外部微小干擾信號對于cpld來講,如不對i/o接口信號作數字濾波處理,cpld將認為這是有效信號參與邏輯判斷,實際上,對發射機的控制是不利的,會引發故障虛警,若錯誤地處理故障虛警信息,關閉發射機,則有可能使得本次試驗失敗,造成損失,以往應用小規模的集成電路的控保就存在類似的問題,并且很難解決。 應用cpld技術,解決抗干擾問題應相對容易,圖7給出了實際應用中的數字濾波技術原理圖,由4mhz信號進行分頻計數產生周期為0.25μs ×256×256≈16.4ms的時鐘信號,若故障連續出現超過8個脈沖,則認為是真實故障,而干擾信號不會造成故障信號輸出。 處理控制信號采用同樣的原理,當確認控制信息有效時,進行相關操作。 5 結束語 經試驗測試,上述控制與保護硬件電路和軟件的設計,具有較好的實時控制能力,在復雜的保護邏輯面前表現出了優越性。基于cpld的控保系統具有性能穩定、抗干擾能力強、體積小、結構緊湊的特點,有較高的推廣應用價值。 |
