初曉軍，李大龍

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

機載雷達天線測控平臺脈沖檢測板設計與實現(xiàn)

初曉軍，李大龍

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

針對某機載雷達天線的BITE檢測問題，提出一種便攜式天線測控平臺設計方案，基于以嵌入式處理器S3C6410為主控制器，采用專用檢測板卡、通用操作系統(tǒng)、專用檢測軟件的虛擬儀器模式。實際應用表明，此平臺通過脈沖檢測板能夠準確快速地檢測出雷達天線的故障。

機載雷達天線；測控平臺；脈沖檢測板

0 引言

某型雷達天線包括掃描器和電子控制放大器（AEC），AEC是掃描器和雷達數(shù)據(jù)處理器之間的接口，首先雷達的數(shù)據(jù)處理器接收到來自雷達操作顯控臺的指令信號，并將指令信號送到AEC，然后，AEC提供伺服信號控制掃描器運動。機載雷達天線測控平臺基于ARM嵌入式處理器、專用檢測板卡、通用操作系統(tǒng)、專用檢測軟件模式的便攜式天線測控思路，既能完成該雷達天線測制，又能滿足部隊轉(zhuǎn)場作戰(zhàn)需求。

圖1 自檢時鐘、地址、應答信號時序關系

如圖1所示，機載雷達天線測控平臺和AEC自檢監(jiān)視板的信號聯(lián)系有3路。自檢地址（BITE ADDRESS）、自檢時鐘（BITE CLOCK）和自檢回答（BITE RELAY）信號，采用查詢和應答的工作方式。由機載雷達天線測控平臺提供的AEC 8位串行字的自檢地址和8個自檢時鐘脈沖自檢時鐘；AEC通過自檢應答信號，報告AEC和掃描器的工作情況。

1 機載雷達天線測控平臺

機載預警雷達天線測控平臺采用便攜式箱體結(jié)構(gòu)，采用+28 V和～3φ115 V 400 Hz電源組件供電，采用嵌入式處理器S3C6410、專用檢測板卡、Windows CE操作系統(tǒng)、專用檢測軟件的組成結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)保證了天線系統(tǒng)與測試平臺的高實時性、可靠性、便攜性等功能特點。天線系統(tǒng)測試與控制平臺的功能主要包括掃描器的靜態(tài)測試、AEC+掃描器的動態(tài)測試、平臺校準。

1.1 天線測控平臺硬件

機載雷達天線測控平臺的硬件主要包括ARM嵌入式處理器S3C6410、檢測板卡、電源組件、測試臺操作面板、測試電纜等（圖2）。

圖2 某雷達天線系統(tǒng)測控平臺硬件組成

ARM 11系列中的S3C6410處理器采用了64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，還包括許多強大的硬件加速器，ARM Core電壓在1.2 V的情況下可以運行到667 MHz，能使整個檢測過程處理迅速、準確。該檢測平臺支持USB2.0 OTG高速（480 MBPS），提高了測控平臺以USB作為通信總線的數(shù)據(jù)傳輸效率。

天線系統(tǒng)測控平臺需要模擬、處理、測試同步器信號、方位轉(zhuǎn)速信號、自檢信號、開關量信號等大量信號。專用檢測板卡主要有同步機板、高速AD板、高速IO板、繼電器板、脈沖檢測板、開關隔離量輸入板、信號調(diào)理板。檢測板是天線系統(tǒng)測試與控制平臺中至關重要的一部分，提供被測設備掃描器和電子控制放大器需要的各種信號，完成被測設備激勵環(huán)境的建立，并采集相應掃描器和電子控制放大器設備的工作狀態(tài)，完成不同的測試與控制。數(shù)據(jù)采集檢測板由FPGA，CPLD或單片機完成底層信號處理工作，操作實時性強。檢測板卡的通信和控制均由主控制器處理器通過USB總線完成，板卡之間的通信也是通過USB總線實現(xiàn)的。這種通信方式避免了ISA，PC I總線復雜的主機底板和眾多的總線接口的復雜性，同時減小了整個系統(tǒng)的體積，提高了其便攜性。

1.2 天線測控平臺軟件

機載雷達天線測控平臺的軟件基于能作為一種嵌入式操作系統(tǒng)應用到工業(yè)控制等領域的Windows CE操作環(huán)境；采用用戶應用層、測試管理層、物理層等層次結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 機載雷達天線測控平臺的軟件結(jié)構(gòu)

檢測軟件工作過程為用戶應用層顯示檢測界面，接收到用戶發(fā)送的控制命令后，測試管理層向板卡提供指令和信號生成的有關數(shù)據(jù)。然后物理驅(qū)動層主要完成各種檢測板卡的打開、關閉、初始化、設定數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)等的具體操作與控制，同時檢測板卡將檢測結(jié)果回送到測試管理層，最終顯示到用戶應用層的有關檢測界面上。

用戶應用層軟件包括系統(tǒng)的主界面、系統(tǒng)自檢、初始化、測試選擇界面、檢測及結(jié)果顯示界面等模塊，顯控測試程序采用Lab Windows/CVI開發(fā)，采用菜單、按鈕等提示形式，具有良好的人-機接口界面。

測試管理層包括測試流程高層指令模塊和底層命令模塊。它起著中間通信的作用。該層軟件采用Embedded Visual C++編寫，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)和各板卡的單片機、FPGA之間的信息交聯(lián)。測試管理軟件向板卡提供指令和信號生成的有關數(shù)據(jù)；同時板卡將檢測結(jié)果回送到測試管理層，最終顯示到用戶應用層的有關檢測界面上。

物理驅(qū)動層主要包括USB HUB驅(qū)動、USB驅(qū)動動態(tài)連接庫、各板卡物理驅(qū)動程序和調(diào)理/切換板驅(qū)動程序等。它集成了板卡和計算機USB通信的應用層協(xié)議，是一個接口應用層程序集，主要完成各種板卡的打開、關閉、初始化、設定數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)等的具體操作與控制。

2 脈沖檢測板硬件設計

機載雷達天線測控平臺中脈沖檢測板提供自檢地址（BITE ADDRESS）、自檢時鐘（BITE CLOCK）脈沖；同時對自檢回答（BITE RELAY）脈沖解碼，板卡如圖4所示。

圖4 脈沖檢測板

脈沖檢測板采用Silicon Labs公司的C8051F206型號單片機作為板卡的主控制器。脈沖檢測板采用FT245R USB通信芯片，F(xiàn)T245R是FTDI(Future Technology Devices Intl Ltd)公司推出的一種快速USB專用通信接口芯片，可以實現(xiàn)USB和FIFO并行接口之間的數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)換FT245R是FTDI公司生產(chǎn)的一款可進行USB和并行I/O口協(xié)議轉(zhuǎn)換的芯片，此芯片適合將的并口轉(zhuǎn)化為USB串口，從而實現(xiàn)與測試平臺中心的數(shù)據(jù)通信（圖5）。自檢信號電路的設計（圖6）。

圖5 USB接口硬件電路

圖6 自檢電路圖

自檢時鐘、地址電路中的CLK，ADD端分別和單片機C8051F206的輸出端P1.4，P1.5引腳相連，自檢應答信號REPLAY接P0.3端作為外部INTI中斷的控制信號。在后軟件設計時會介紹到由軟件控制單片機P1.4，P1.5引腳高低電平的輸出頻率，進而形成自檢時鐘、自檢地址脈沖。自檢時鐘、地址電路中的74LV14是一個反相器，當CLK電平為低電平0時，經(jīng)過取反電路即TLP701光耦的D-輸入端為高電平，此時光耦TLP107不導通，輸出為低電平。當CLK電平為高電平1時，光耦導通，輸出為-15 V，自檢地址信號ADD的電路和自檢時鐘CLK電路的原理相似。自檢應答電路中的REPLY_IN信號是從電子控制放大器自檢監(jiān)視版反饋回來的自檢應答信號，經(jīng)過分壓電路形成單片機引腳端口I/O容許5 V的輸入信號電壓，當有自檢脈沖反饋時，REPLY信號作為P0.3端的輸入為高電平，否則為低電平。

3 脈沖檢測板軟件設計

脈沖檢測板的軟件設計基于Silicon Laboratories ID E+ Keil uV i2s ion3開發(fā)環(huán)境。脈沖檢測板軟件的主函數(shù)流程如圖7所示。

由C語言的特性可知，脈沖檢測板軟件的整個運行流程由主函數(shù)main函數(shù)來控制，整個軟件的設計是基于模塊化，針對要實現(xiàn)的不同的功能編寫相應的函數(shù)模塊。系統(tǒng)軟件的設計思想是采用C語言模塊化編程，結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)，按功能進行模塊化。各模塊相對獨立，便于調(diào)試、調(diào)用，同時，充分利用所選芯片的特點，進行程序的編寫，從而滿足系統(tǒng)低功耗的要求[6]。

圖7 主函數(shù)流程圖

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)的初始化由設備初始化函數(shù)Device_Init（）來實現(xiàn)，在軟件的設計過程時便于函數(shù)管理，將Device_Init()初始化函數(shù)作為初始化模塊。Device_Init（）函數(shù)包括振蕩器初始化Oscillator_Init（）、端口初始化Port_IO_Init（）、定時器初始化Timer_Init（）、中斷初始化Interrupts_Init()、變量初始化Val_Init（）函數(shù)。Oscillator_Init（）函數(shù)用于選擇系統(tǒng)時鐘，在前面硬件電路設計時提到為了保證脈沖檢測板系統(tǒng)時鐘的準確性、精度性，采取外部24 M晶振時鐘作為系統(tǒng)時鐘。需要注意的是由C8051F206單片機中文手冊中知道當外部晶體振蕩器運行并穩(wěn)定后，晶體振蕩器有效標志（寄存器OSCXCN中的XTLVLD）被硬件置‘1’。XTLVLD檢測電路需要在使能振蕩器和檢測XTLVLD位之間至少有1 ms的建立時間。所以Oscillator_Init()函數(shù)函數(shù)實現(xiàn)的功能是等待1ms切換到外部振蕩器，在外部振蕩器穩(wěn)定之前就切換到外部振蕩器可能導致不可預見的后果。

3.2 中斷模塊

根據(jù)脈沖檢測板要生成的自檢信號、速度信號、俯仰信號的特點，其軟件中斷模塊主要包括定時器0、定時器1、定時器2及外部中斷INT1。這些中斷主要用來實現(xiàn)自檢信號、速度信號的模擬。定時器0、定時器1、外部中斷INT1用來自檢時鐘、自檢地址、自檢應答的時序控制。定時器2用于速度脈沖信號頻率的控制。在這里就重點介紹下自檢信號的實現(xiàn)原理，這也是軟件設計過程中的難點。

脈沖檢測板所模擬的自檢時鐘脈沖的頻率為0.2 ms，8個脈沖為1組，自檢地址是8個串行字，每1字對應1個周期的自檢時鐘，前4個串行字是0101固定不變，后4個根據(jù)自檢的內(nèi)容而變，12組自檢地址分別是01010000依次到01011100。當雷達天線系統(tǒng)接收雷達天線系統(tǒng)測試平臺發(fā)送的自檢時鐘、自檢地址信號時，會對進行相應的自檢，混合信號系統(tǒng)并將接收的自檢結(jié)果反饋給上位機，正常則有脈沖，不正常則無脈沖，邏輯0自檢除外。

由自檢信號的特點，采取用定時器0、定時器1、外部中斷來實現(xiàn)自檢時鐘、自檢地址信號的生成并接收相應的自檢應答信號。自檢時鐘的脈沖周期為0.2 ms，一個脈沖包括一高一低電平即高低電平持續(xù)時間為0.1 ms，那么T0的工作時間要為0.1 ms，定時器T0為16位計數(shù)器模式，若計數(shù)值超過0XFFFF則會溢出，則會進入定時器T0中斷。根據(jù)T0定時器的時鐘頻率為24 M，可設定定時器T0的初值為0XF69F，來實現(xiàn)自檢時鐘、自檢地址信號的生成。

由前面單片機控制電路中可以看到P0.3端口INT1接來自反饋回來的自檢應答信號，外部中斷1是由自檢應答信號觸發(fā)的，即有反饋的自檢應答脈沖高電平時跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。定時器1的工作時間為24 ms，它主要是對反饋自檢應答信號的超時處理，如果過了24 ms還未有接收到自檢應答脈沖，則就默認無自檢應答脈沖即自檢未通過。定時器0的部分程序代碼如下，從中可以看到自檢時鐘、自檢地址實現(xiàn)的原理，當j=17時，此時將自檢應答標志reply_flag置1表示自檢地址、自檢時鐘已經(jīng)發(fā)送，開啟定時器1和外部中斷是對接收自檢應答信號進行響應。

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊

脈沖檢測板軟件的數(shù)據(jù)通信模塊包括讀USB數(shù)據(jù)Read_USB（）、寫USB數(shù)據(jù)Write_USB（）函數(shù)。讀USB數(shù)據(jù)Read_USB（）是通過FT245R USB接口芯片將緩沖區(qū)中的指令數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱CC8051F206，寫USB數(shù)據(jù)Write_USB（）是將單片機端口反饋的命令數(shù)據(jù)寫到FT245R USB的緩沖區(qū)中。由前面FT245R USB接口芯片電路可知FT245R芯片的接收緩沖區(qū)非空標志RXF、發(fā)送緩沖區(qū)空標志TXF端、讀寫控制RD#、WR與單片機C8051F206的P3.4，P3.5，P3.6，P3.7端相連，作為讀寫USB數(shù)據(jù)的控制信號。讀寫操作函數(shù)原理主要是根據(jù)FT245R的讀寫時序[7]。

3.4 命令處理模塊

混合信號系統(tǒng)軟件中的數(shù)據(jù)處理模塊是根據(jù)USB讀取的數(shù)據(jù)判斷該指令是什么指令，根據(jù)相應的指令進入相應的處理模塊。這一功能主要由命令處理函數(shù)Data_Dispose（）來完成，在前面主函數(shù)的流程圖中，看到其中調(diào)用主要是命令處理函數(shù)Data_Dispose（），其在根據(jù)讀取的USB數(shù)據(jù)來判斷是什么指令就進入相應的指令響應模塊。

4 結(jié)束語

便攜式機載雷達天線測控平臺的脈沖檢測板，通過提供自檢時鐘、自檢地址，對自檢應答脈沖解碼，能快速地檢測天線系統(tǒng)的故障，并能將故障隔離到組件或插件上，具有可靠、準確、快速、便捷等優(yōu)點。解決了原來進口的測試臺不能滿足部隊作戰(zhàn)轉(zhuǎn)場的難題，該測試與控制平臺適合應用于對體積和功能都有較高要求的某型雷達天線系統(tǒng)的檢測診斷。

[1]田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005：142-155.

[2]胡立夫.某型飛機發(fā)動機產(chǎn)品檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].東北大學，2008.

[3]張海寧，朱欣穎.一種便攜式故障檢測系統(tǒng)的設計[J].電子設計工程，2011，19（20）：86-87.

[4]高飛，初曉軍.嵌入式機載交聯(lián)設備檢測系統(tǒng)[J].船艦電子工程，2008，28（3）：52-53.

[5]馬二濤，李建海，劉保華，等.某型機載近距導航設備檢測儀的設計與實現(xiàn)[J].電訊術(shù)，2010，50（3）：69-72.

[6]初曉軍編著.XX雷達設備[M].青島：海軍航空工程學院青島分院出版，2005：67-137.

[7]Labwindows/CVIProgrammerReferenceManual[Z].National Instrument Corporation，2005：24-23.

〔編輯 利文〕

TN957.2

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.48