王佳鑫

摘 要：隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展以及雷達(dá)設(shè)備在軍用民用領(lǐng)域的普及應(yīng)用，對(duì)于雷達(dá)的維修也越來越受到重視。針對(duì)雷達(dá)這種高度復(fù)雜的電子設(shè)備的特性，以某型雷達(dá)信號(hào)處理分機(jī)為應(yīng)用對(duì)象，本文結(jié)合CPLD與單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)檢測(cè)雷達(dá)故障的系統(tǒng)，可檢測(cè)各功能模塊以及通信狀態(tài)燈故障。經(jīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)功能完善，通用性好，具有良好的可拓展性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；CPLD；故障檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TN958.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）17-146-2

0 引言

故障檢測(cè)是指檢測(cè)判斷被測(cè)電路是否故障，并判斷故障發(fā)生的位置。雷達(dá)是一種高度復(fù)雜的電子設(shè)備，故障檢測(cè)的復(fù)雜程度也相對(duì)較高。但同時(shí)雷達(dá)的結(jié)構(gòu)層次明顯，由多個(gè)系統(tǒng)組成，每個(gè)系統(tǒng)一般由有機(jī)柜，分機(jī)，插件板組成，所以根據(jù)雷達(dá)的層次化可以分級(jí)設(shè)計(jì)故障檢測(cè)模型。不同的功能采用不同的檢測(cè)方法。通常情況下，檢測(cè)是通過對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)中某些節(jié)點(diǎn)上施加一定的激勵(lì)信號(hào)，對(duì)電路產(chǎn)生影響和控制，通過被測(cè)電路的反饋分析出故障所在位置以及解決方案。雷達(dá)工作時(shí)，各功能模塊之間必然發(fā)生信息交互傳遞。針對(duì)某一特定功能模塊的檢測(cè)，可以通過模擬其上位模塊對(duì)被測(cè)模塊發(fā)送對(duì)應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)，再接收被測(cè)模塊的反饋信息來判斷其工作狀態(tài)是否正常。本文以CPLD與單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的故障檢測(cè)系統(tǒng)，再加入一些外圍電路就可以模擬出多種激勵(lì)信號(hào)，從而達(dá)到故障檢測(cè)目的。

1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

CPLD與MCU結(jié)合的實(shí)用領(lǐng)域非常廣泛，因?yàn)槠涓髯缘奶攸c(diǎn)。MCU控制能力強(qiáng)，有豐富且強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，低功耗，易擴(kuò)展，價(jià)格低廉等優(yōu)良特性使其成為高性價(jià)比控制型芯片。CPLD是一種復(fù)雜可編程邏輯器件，用戶可以根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字積少集成電路，其對(duì)數(shù)字編碼，時(shí)序的產(chǎn)生與控制更加方便快捷。結(jié)合這兩個(gè)器件的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的硬件框架，如圖1所示。

單片機(jī)MCU（AT89C55）通過串行通信接口從檢測(cè)控制端獲取檢測(cè)命令，通過配置單片機(jī)波特率發(fā)生器，使用9600Bd波特率傳輸串行數(shù)據(jù)。MCU的P0口作為8為數(shù)據(jù)總線，連接至CPLD（Altera，EPM2210）與FIFO。P2口作為8位地址總線與CPLD相連。P1口的P1^0～2三根數(shù)據(jù)線接入操控機(jī)，作為測(cè)試結(jié)果的狀態(tài)信號(hào)，可表示出8種測(cè)試結(jié)果。P1^4端口作為對(duì)操控機(jī)的中斷信號(hào)，通知其在以上端口讀取測(cè)試結(jié)果。剩下幾個(gè)P1對(duì)端口與CPLD連接作為某些狀態(tài)使能信號(hào)，可自由調(diào)配。

CPLD的外部電路主要是被測(cè)單元與存儲(chǔ)芯片的連接。根據(jù)激勵(lì)信號(hào)的不同，CPLD與被測(cè)單元（UUT）之間的連接有8位數(shù)據(jù)線發(fā)送并行數(shù)據(jù)，串行接口發(fā)送RS485或RS232串行數(shù)據(jù)，以及模擬信號(hào)等。被測(cè)單元的回告信息通過同樣接口傳回CPLD或者裝入外部FIFO。外部FIFO的寫數(shù)據(jù)（WR），讀數(shù)據(jù)（RD），清空（RST），半滿/全滿（HF/FF）信號(hào)連入CPLD，由CPLD控制FIFO的讀寫。

在測(cè)試中，由CPLD按預(yù)設(shè)信息做出激勵(lì)信號(hào)并發(fā)向被測(cè)功能模塊。根據(jù)不同的檢測(cè)命令，CPLD控制FIFO外部芯片存儲(chǔ)被測(cè)模塊的反饋信息，然后向MCU發(fā)出中斷信號(hào)。MCU收到中斷后，從相應(yīng)的外部取回反饋信息，加以判斷來確定是否存在功能模塊故障。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中單片機(jī)主要負(fù)責(zé)接收測(cè)試命令，控制CPLD發(fā)出各種激勵(lì)信號(hào)，以及最后反饋信息的分析工作。具體流程圖如圖2所示，單片機(jī)通過MAX485差分芯片接收外部的測(cè)試命令，上電后，單片機(jī)處于等待命令狀態(tài)，串口處于接收狀態(tài)，數(shù)據(jù)線上有數(shù)據(jù)時(shí)，檢測(cè)字頭開始接收數(shù)據(jù)，通過末尾校驗(yàn)位來判斷是否為正確的測(cè)試命令。接收到命令后，系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，通過8位并行數(shù)據(jù)線向CPLD地址發(fā)送命令，隨即進(jìn)入等待回告狀態(tài)。故障檢測(cè)的原則就是將被測(cè)單元反饋的信息與存儲(chǔ)在單片機(jī)中的正確反饋信息進(jìn)行比對(duì)，如果兩組數(shù)據(jù)一致，向上位機(jī)發(fā)出中斷并告知被測(cè)單元無故障，反之，向上位機(jī)反饋存在故障的功能模塊。

2.2 CPLD設(shè)計(jì)

CPLD主要任務(wù)是在工作時(shí)產(chǎn)生檢測(cè)激勵(lì)信號(hào)以及外部存儲(chǔ)芯片的讀寫控制。根據(jù)被測(cè)功能模塊的不同，激勵(lì)信號(hào)也分為數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)。相對(duì)而言，數(shù)字信號(hào)容易產(chǎn)生，通過串口或并口輸出加到被測(cè)單元即可。模擬信號(hào)相對(duì)復(fù)雜，需要通過設(shè)計(jì)一個(gè)波形發(fā)生器來完成。脈寬調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）時(shí)利用數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)依然是數(shù)字信號(hào)，在給定的時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么通，要么斷。電壓或電流源是以一種通或斷的重復(fù)脈沖序列被加載模擬負(fù)載上的。只要帶寬足夠，任何模擬信號(hào)都可以使用PWM進(jìn)行編碼。如圖3所示，一個(gè)正弦波可以用一些相等幅度但不等寬的脈沖來代替。正弦波被分為N等分，可以看成N個(gè)連續(xù)的脈沖序列，時(shí)間寬度相等，但幅值不等。用矩形脈沖替代是，信號(hào)等幅但不等寬，中電重合，面積相等，脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化，體現(xiàn)在模擬信號(hào)中的幅值變化。

使用CPLD實(shí)現(xiàn)PWM發(fā)生器非常簡(jiǎn)便，其中包括了計(jì)數(shù)器，數(shù)據(jù)比較器，時(shí)鐘分頻寄存器以及占空比寄存器。分頻存儲(chǔ)器用來存放不同波形所需要的計(jì)數(shù)器參數(shù)，占空比寄存器存放著不同的閾值。當(dāng)啟動(dòng)發(fā)生器時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，輸出和占空比寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出小于占空比設(shè)定值時(shí)輸出低電平，否則輸出高電平。

CPLD控制FIFO（IDT7204）的讀寫。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)施加在被測(cè)單元后，CPLD隨即產(chǎn)生FIFO寫信號(hào)/WR，每個(gè)下降觸發(fā)寫操作，被測(cè)單元回告的數(shù)據(jù)寫入FIFO。當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)量達(dá)到半滿時(shí)，半滿信號(hào)端口（/HF）輸出低電平至CPLD。CPLD發(fā)中斷給單片機(jī)，告知FIFO數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好可以進(jìn)行讀操作。MCU從指定地址讀取數(shù)據(jù)，地址線在CPLD中合成出FIFO的讀信號(hào)/RD。

3 結(jié)束語

MCU+CPLD結(jié)構(gòu)是很多電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種基本框架，MCU可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制與檢測(cè)，CPLD可以靈活的實(shí)現(xiàn)外圍擴(kuò)展電路，彌補(bǔ)了MCU相應(yīng)速度慢等問題，兩者互補(bǔ)性強(qiáng)。本設(shè)計(jì)通過對(duì)某型雷達(dá)故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中得到了成功的應(yīng)用。通過對(duì)外圍電路以及CPLD邏輯的改進(jìn)，系統(tǒng)可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合，可移植性強(qiáng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊志鵬，王世堯.基于CPLD的單片機(jī)之間的通信接口設(shè)計(jì)[J].廈門：電腦開發(fā)與應(yīng)用.

[2] 黃正謹(jǐn).CPLD系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)入門與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3] 王志鵬.可編程邏輯器件開發(fā)技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.