蔡云龍 潘紅兵 朱啟龍

（海軍工程大學(xué) 武漢 430033）

1 引言

在雷達(dá)故障檢測和維修培訓(xùn)過程中，如果采用實(shí)裝對學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練，不僅裝備的配置成本高難度大，而且對雷達(dá)裝備的損傷程度大，維護(hù)費(fèi)用高。為了在有限的條件下滿足學(xué)員雷達(dá)故障診斷訓(xùn)練的需求，尋求在仿真環(huán)境下進(jìn)行訓(xùn)練成為一條有效的途徑。雷達(dá)接收機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，長期以來一直是雷達(dá)整機(jī)中故障頻率較高的分機(jī)。本文就以接收機(jī)故障檢測仿真訓(xùn)練介紹一個方案，對雷達(dá)整機(jī)仿真訓(xùn)練也有一定的研究意義。

傳統(tǒng)的接收機(jī)故障診斷方法是維修人員根據(jù)接收機(jī)一些關(guān)鍵部件上有限的BIT和自身的經(jīng)驗進(jìn)行分析、猜測、判斷，缺乏故障推理機(jī)制，對多故障并發(fā)的情況較難進(jìn)行隔離定位［1］。如果能提供接收機(jī)模塊適當(dāng)?shù)碾娫春托盘柤睿菇邮諜C(jī)模塊在仿真的環(huán)境下工作，這樣學(xué)員就可以直觀地對模塊的輸出信號和模塊內(nèi)部中間的信號進(jìn)行檢測，可以加深學(xué)員對雷達(dá)接收機(jī)工作機(jī)理的理解，提高他們雷達(dá)故障檢測和診斷能力?；谶@一目的，本文研究設(shè)計一種可以模擬、仿真雷達(dá)接收機(jī)工作環(huán)境的故障檢測訓(xùn)練系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)以嵌入式微處理器小系統(tǒng)作為中心處理器，通過相應(yīng)接口分別控制FPGA信號發(fā)生系統(tǒng)，信號調(diào)理系統(tǒng)，電源系統(tǒng)。依據(jù)接收機(jī)模塊的電源和信號激勵要求，嵌入式微處理器系統(tǒng)發(fā)送指令給FPGA，控制FPGA信號發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)仿真信號。仿真信號進(jìn)入信號調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)制、放大等處理后，作為雷達(dá)接收機(jī)模塊的激勵信號。電源系統(tǒng)根據(jù)嵌入式微處理器傳來的指令產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，作為接收機(jī)模塊的電源輸入［2～3］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 信號發(fā)生系統(tǒng)

信號發(fā)生系統(tǒng)主要是以FPGA、晶振及相應(yīng)的外圍電路組成。FPGA采用的是EP2C8Q208C8芯片，管腳電平和嵌入式微處理器是一致的，和嵌入式微處理器通信不需電平轉(zhuǎn)換電路。FPGA根據(jù)嵌入式微處理器的指令有選擇性的輸出相應(yīng)的脈沖信號［4］。其中FPGA信號產(chǎn)生及選擇輸出模塊的頂層設(shè)計圖和仿真信號如圖2～圖4所示。

圖2 信號產(chǎn)生和選擇模塊FPGA頂層設(shè)計圖

圖3 信號周期和脈寬控制電路

圖4 信號發(fā)生系統(tǒng)仿真結(jié)果

2.2 信號調(diào)理系統(tǒng)

信號調(diào)理系統(tǒng)主要包括振蕩電路、信號調(diào)制電路和信號放大電路。振蕩電路由有源晶振電路構(gòu)成，振蕩產(chǎn)生的信號通過衰減和濾波網(wǎng)絡(luò)作為中頻載波。中頻載波和FPGA產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行ASK調(diào)制，生成中頻調(diào)制信號［5］。振蕩電路和調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 晶體振蕩電路和AD835ASK調(diào)制電路

由于信號放大電路一方面要放大信號產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖信號，一方面要放大調(diào)制電路調(diào)制好的中頻調(diào)制信號，所以要求放大電路具有較寬的帶寬和良好的放大性能［6］。本系統(tǒng)采用低噪聲、寬帶寬的高頻放大芯片AD8009，作為放大電路的核心芯片。具體實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

圖6 AD8009信號放大電路

2.3 電源系統(tǒng)

雷達(dá)接收機(jī)采用直流供電，鑒于它是接收、放大和處理雷達(dá)微弱電磁中頻信號的，對電源噪聲要求較高，本系統(tǒng)采用以下措施對電源系統(tǒng)進(jìn)行了處理［7］：

1）在電源輸出端采用大電容和扼流圈等措施扼制紋波電壓；

2）運(yùn)用電磁兼容等技術(shù)手段，合理布線，減少外來干擾和內(nèi)部串?dāng)_；

3）將數(shù)字地和模擬地分開處理，最后再集中到一點(diǎn)接地，減少接地電阻。

3 系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)軟件包括嵌入式微處理器系統(tǒng)程序和FPGA信號產(chǎn)生程序。嵌入式微處理器控制鍵盤輸入、液晶顯示、FPGA信號產(chǎn)生、電源供給，是整個系統(tǒng)的控制中心，也是人機(jī)交互的接口。系統(tǒng)啟動后，嵌入式微處理器對各模塊進(jìn)行初始化，并根據(jù)不同的接收機(jī)模塊進(jìn)入對應(yīng)的檢測程式，仿真產(chǎn)生對應(yīng)的電源和信號激勵。首先，系統(tǒng)啟動電源對模塊供電。如果電源監(jiān)測系統(tǒng)報警，則待檢測模塊可能發(fā)生短路、斷路等故障，斷開電源，結(jié)束檢測。而后，系統(tǒng)啟動FPGA信號產(chǎn)生系統(tǒng)，生成對應(yīng)脈沖到信號調(diào)理電路進(jìn)行信號調(diào)制和放大，作為接收機(jī)模塊的中頻輸入［8～9］。

嵌入式微處理器程序流程框圖如圖7所示。

圖7 嵌入式微處理器程序流程框圖

4 結(jié)語

采用仿真的訓(xùn)練手段可以培養(yǎng)學(xué)員的故障檢測能力，但是也不能完全代替采用實(shí)裝進(jìn)行訓(xùn)練。環(huán)境因素、人為因素、硬件軟故障等等在仿真環(huán)境中不可能完全考慮進(jìn)去。在實(shí)驗教學(xué)中，可以采用仿真實(shí)驗和實(shí)物實(shí)驗相結(jié)合的方法，用仿真的方法對學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)，再在實(shí)裝上進(jìn)行驗證性訓(xùn)練，逐步提高學(xué)員的實(shí)踐能力

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)接收機(jī)工作狀態(tài)的模擬和仿真。學(xué)員在訓(xùn)練過程中可以對接收機(jī)機(jī)所有輸入輸出進(jìn)行檢測，進(jìn)而進(jìn)行故障診斷和故障隔離。由于本系統(tǒng)直觀地仿真接收機(jī)各模塊信號的特征，它也可以幫助學(xué)員增強(qiáng)對雷達(dá)接收機(jī)工作原理的理解，進(jìn)而幫助他們提高雷達(dá)故障診斷能力。

［1］余志紅.電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與前景［J］.江西電力，2008，32（5）：28－31.

［2］孟憲元，錢偉康.FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［3］段哲.嵌入式系統(tǒng)通信機(jī)制的研究與應(yīng)用［J］.艦船電子工程，2012，30（7）：81－84.

［4］任建新，余樂詠，張鵬.基于FPGA的高精度信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化［J］.測控技術(shù)，2011，30（1）：13－16.

［5］宋依青.一種新型ASK調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.通信技術(shù)，2011，44（2）：22－25.

［6］孟麗霞，于林麗，濮鈺麒，等.微小信號放大電路設(shè)計［J］.儀器儀表學(xué)報，2006，27（6）：1012－1013.

［7］晏勇.現(xiàn)代電子系統(tǒng)中電源技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009，11：12－15.

［8］張齊.單片機(jī)原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［9］毛永毅，張宏君，王宏亮.一種新型嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2012，31（10）：37－41.

［10］朱大奇.電子設(shè)備故障診斷原理與實(shí)踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.