固态发射机的控制和保护系统的设计

　　【摘　要】　论述了固态发射机的控制和保护系统的设计方法，介绍了VFD模块的基本使用方法，以及它在发射机显示中的应用。
    关键词：固态发射机，VFD模块，控制和保护
　　
1　引　言
　　雷达发射机技术不断发展，固态发射机以其独特的优越性广泛地为各种雷达所采用。固态发射机采用了全固态晶体管作为放大器，这种器件由于电压低，比较真空管发射机来说有很高的可靠性，其主要特点是实现了发射机系统的模块化设计，提高了发射机的可靠性和可维护性。由于采用了多个固态放大器功率组件合成大功率输出，个别固态放大器功率组件发生故障对整个发射输出功率无影响，使整个发射系统仍能工作。
　　固态发射机由大量的固态放大器功率组件和开关电源构成，其数量根据发射机功率的需要，少则几个，多则可达几千个，一旦某一功率组件或开关电源损坏，要求发射机的控制和保护系统能迅速准确判断故障位置，以往由数码管单一显示故障位号和故障总数，并且当数码管少时功率组件和开关电源要分开显示或轮流显示，软硬件设计都比较烦琐，现在采用VFD模块作为显示屏，VFD模块是真空荧光屏，显示容量大，亮度高，接口简单，软硬件设计都比较简单方便，可靠性高，且价格低，降低成本。
2　控制和保护系统硬件
　　控制和保护系统不但要实现对发射机的开关机控制，故障信号的采集和快速保护，关键参数的采
集，工作状态显示，故障显示等功能，还必须能与雷达主控台进行通讯，具有遥控功能和与主控台的信息交换功能。因此，雷达发射机的控制和保护系统是非常重要的，要求能对故障响应迅速且有效地保护发射机。系统组成方框图如图1所示。该控制和保护系统选用了51系列单片机作核心器件，系统由51系列微处理电路、接口电路、VFD显示模块及通讯控制接口等组成。当固态发射机的功放组件、电源组件等发生故障时，该控保系统一是能迅速、直观地指示出固态雷达发射机的具体故障的发生位置，二是完成与雷达主控台的通讯联络。

3　控制和保护系统在固态发射机中的具体设计
　　下面以某有源相控阵雷达固态发射机的控制和保护系统为例，说明整个控制和保护系统的设计。
3．1　控制和保护系统的硬件设计
　　该发射机控制和保护系统检测固态功率组件N个，开关电源组件N个，还需检测输出总功率低，输出驻波大，前级脉冲过宽和过工作比故障，冷却故障，前级放大器A路和B路是否工作正常。该系统由一块CPU控制板，两块接口板，一块双工控制板组成。接口板数量还可以根据具体情况增加。工作原理框图见图2。

　　其检测量大，要求速度快，实时性强为了解决高速通用与设备量之间的矛盾，选用大规模数字信号处理芯片EPLD作为故障处理的核心。
　　CPU控制板由51系列单片机、EPLD和通讯芯片组成。EPLD具体完成译码、片选、分频和数据锁存等功能。具体工作过程为：故障信息采集后，用光耦隔离后再送入EPLD的I／O接口，后经I／O接口送给51系列单片机，经单片机处理后把所需显示的数据经EPLD的I／O接口送入VFD模块显示。双工控制板主要完成发射机的两路前级放大器的自动转换功能，当检测到一路前级放大器发生故障时自动转到另一路工作。通讯部分接收主控台的开关机命令，上报发射机的工作状态和全部故障信息。
　　实际使用VFD模块时，可以检测VFD模块的BUSY信号，也可以不检测BUSY信号，加100ns延时，同样可以使VFD模块正确显示所需内容。VFD模块的显示亮度可以根据实际需要用软件来进行选择。
3．2　控制和保护系统的软件设计
　　下面以某型号固态发射机的控制和保护系统软件设计为例来加以说明。图3为程序流程框图。当控制和保护系统上电工作时，先对VFD模块进行初始化，定义其工作初态：复位、光标不显示、选择所显示字符类型。然后把定义发射机的故障位号和总数量等固定字符放在指定位置，接着进行发射机故障和工作状态巡检，检测到的冷却故障、天线驻波故障和过脉宽、过工作比故障、双工控制器A路、B路工作状态可以用特殊字符来显示。发射机工作时，读取发射功放组件和电源组件的状态，若有故障，则在控制分机的VFD模块上用数字显示功放组件和电源组件的故障总数和故障位号。控制和保护系统对发射机起的控制作用如下：检测到冷却故障、天线驻波故障和过脉宽、过工作比故障时，迅速切断激励信号，保护发射机；控制发射机的前级放大器，当检测到无激励信号时，使双工控制器保持在A路工作，当有激励信号且A路故障时，自动切换到B路工作。以上控制保护发生时，控保护系统除显示故障信息外，还将故障信息上报主控台，保留相关故障数据，便于事后故障分析研究与处理。
　　遥控开发射机时，控保系统接收到开机命令时，自动控制开冷却，加激励使发射机工作。

4　该控制和保护系统的优越性
　　传统的发射机的控制和保护系统使用数码管显示功率组件和开关电源的故障位号和故障总数，其他故障如驻波保护、过脉宽和过工作比保护、冷却故障等只能用发光二极管来指示，显示单一，功耗大，硬件设计复杂且修改性差，分机面板元件繁多，人机界面差。
　　本控保系统采用VFD模块作显示屏，可以使固态发射机所有的故障状态都能直观显示，硬件设计简单化，分机面板只需一块尺寸为7cm×13．5cm的显示屏。

    VFD模块系统原理见图4。该模块具有自检和上电复位功能，具体见表1。

　　VFD模块具有以下特点：与51系列单片机并行连接，用20芯扁平电缆连接比较方便；电源仅需直流＋5V，最大电流1A；能显示121种字符，选择
性强；显示屏亮度可以通过软件设置进行选择；字符采用5×7点阵显示，共4行，每行显示20个字符。VFD模块中信号工作时序关系见图5。
　　图5中，TPW为WR的脉冲宽度最小为50ns；
TEXE为VFD模块显示完成时间最大为750μs，该时间段内不能接收数据信息；／SEL为VFD模块设置显示时间最小为100ns。
5　结束语
　　固态发射机的控制和保护系统，采用EPLD和VFD模块进行设计。简化了设计、提高了系统可靠性，可以使发射机控制和保护系统实现模块化设计，向通用化、标准化、系列化进军，这样可以大大缩短研制设计周期，适应科研生产的发展需要。
　　以上固态发射机控保系统因其设计简单可靠，工作稳定，已在多个产品中广泛应用，并得到用户的一致好评。

　　参考文献

1　孙育才．MCS－51系列单片微型计算机及其应用．南京：东南大学出版社，2000，3