初曉軍，李大龍

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

機(jī)載雷達(dá)天線測(cè)控平臺(tái)脈沖檢測(cè)板設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

初曉軍，李大龍

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

針對(duì)某機(jī)載雷達(dá)天線的BITE檢測(cè)問(wèn)題，提出一種便攜式天線測(cè)控平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，基于以嵌入式處理器S3C6410為主控制器，采用專用檢測(cè)板卡、通用操作系統(tǒng)、專用檢測(cè)軟件的虛擬儀器模式。實(shí)際應(yīng)用表明，此平臺(tái)通過(guò)脈沖檢測(cè)板能夠準(zhǔn)確快速地檢測(cè)出雷達(dá)天線的故障。

機(jī)載雷達(dá)天線；測(cè)控平臺(tái)；脈沖檢測(cè)板

0 引言

某型雷達(dá)天線包括掃描器和電子控制放大器（AEC），AEC是掃描器和雷達(dá)數(shù)據(jù)處理器之間的接口，首先雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理器接收到來(lái)自雷達(dá)操作顯控臺(tái)的指令信號(hào)，并將指令信號(hào)送到AEC，然后，AEC提供伺服信號(hào)控制掃描器運(yùn)動(dòng)。機(jī)載雷達(dá)天線測(cè)控平臺(tái)基于ARM嵌入式處理器、專用檢測(cè)板卡、通用操作系統(tǒng)、專用檢測(cè)軟件模式的便攜式天線測(cè)控思路，既能完成該雷達(dá)天線測(cè)制，又能滿足部隊(duì)轉(zhuǎn)場(chǎng)作戰(zhàn)需求。

圖1 自檢時(shí)鐘、地址、應(yīng)答信號(hào)時(shí)序關(guān)系

如圖1所示，機(jī)載雷達(dá)天線測(cè)控平臺(tái)和AEC自檢監(jiān)視板的信號(hào)聯(lián)系有3路。自檢地址（BITE ADDRESS）、自檢時(shí)鐘（BITE CLOCK）和自檢回答（BITE RELAY）信號(hào)，采用查詢和應(yīng)答的工作方式。由機(jī)載雷達(dá)天線測(cè)控平臺(tái)提供的AEC 8位串行字的自檢地址和8個(gè)自檢時(shí)鐘脈沖自檢時(shí)鐘；AEC通過(guò)自檢應(yīng)答信號(hào)，報(bào)告AEC和掃描器的工作情況。

1 機(jī)載雷達(dá)天線測(cè)控平臺(tái)

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)天線測(cè)控平臺(tái)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(cè)板卡、Windows CE操作系統(tǒng)、專用檢測(cè)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(cè)試平臺(tái)的高實(shí)時(shí)性、可靠性、便攜性等功能特點(diǎn)。天線系統(tǒng)測(cè)試與控制平臺(tái)的功能主要包括掃描器的靜態(tài)測(cè)試、AEC+掃描器的動(dòng)態(tài)測(cè)試、平臺(tái)校準(zhǔn)。

1.1 天線測(cè)控平臺(tái)硬件

機(jī)載雷達(dá)天線測(cè)控平臺(tái)的硬件主要包括ARM嵌入式處理器S3C6410、檢測(cè)板卡、電源組件、測(cè)試臺(tái)操作面板、測(cè)試電纜等（圖2）。

圖2 某雷達(dá)天線系統(tǒng)測(cè)控平臺(tái)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(qiáng)大的硬件加速器，ARM Core電壓在1.2 V的情況下可以運(yùn)行到667 MHz，能使整個(gè)檢測(cè)過(guò)程處理迅速、準(zhǔn)確。該檢測(cè)平臺(tái)支持USB2.0 OTG高速（480 MBPS），提高了測(cè)控平臺(tái)以USB作為通信總線的數(shù)據(jù)傳輸效率。

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

1.2 天線測(cè)控平臺(tái)軟件

機(jī)載雷達(dá)天線測(cè)控平臺(tái)的軟件基于能作為一種嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)控制等領(lǐng)域的Windows CE操作環(huán)境；采用用戶應(yīng)用層、測(cè)試管理層、物理層等層次結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 機(jī)載雷達(dá)天線測(cè)控平臺(tái)的軟件結(jié)構(gòu)

檢測(cè)軟件工作過(guò)程為用戶應(yīng)用層顯示檢測(cè)界面，接收到用戶發(fā)送的控制命令后，測(cè)試管理層向板卡提供指令和信號(hào)生成的有關(guān)數(shù)據(jù)。然后物理驅(qū)動(dòng)層主要完成各種檢測(cè)板卡的打開(kāi)、關(guān)閉、初始化、設(shè)定數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)等的具體操作與控制，同時(shí)檢測(cè)板卡將檢測(cè)結(jié)果回送到測(cè)試管理層，最終顯示到用戶應(yīng)用層的有關(guān)檢測(cè)界面上。

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

測(cè)試管理層包括測(cè)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(xiě)，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)和各板卡的單片機(jī)、FPGA之間的信息交聯(lián)。測(cè)試管理軟件向板卡提供指令和信號(hào)生成的有關(guān)數(shù)據(jù)；同時(shí)板卡將檢測(cè)結(jié)果回送到測(cè)試管理層，最終顯示到用戶應(yīng)用層的有關(guān)檢測(cè)界面上。

物理驅(qū)動(dòng)層主要包括USB HUB驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)、各板卡物理驅(qū)動(dòng)程序和調(diào)理/切換板驅(qū)動(dòng)程序等。它集成了板卡和計(jì)算機(jī)USB通信的應(yīng)用層協(xié)議，是一個(gè)接口應(yīng)用層程序集，主要完成各種板卡的打開(kāi)、關(guān)閉、初始化、設(shè)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(cè)板硬件設(shè)計(jì)

機(jī)載雷達(dá)天線測(cè)控平臺(tái)中脈沖檢測(cè)板提供自檢地址（BITE ADDRESS）、自檢時(shí)鐘（BITE CLOCK）脈沖；同時(shí)對(duì)自檢回答（BITE RELAY）脈沖解碼，板卡如圖4所示。

圖4 脈沖檢測(cè)板

脈沖檢測(cè)板采用Silicon Labs公司的C8051F206型號(hào)單片機(jī)作為板卡的主控制器。脈沖檢測(cè)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(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)與測(cè)試平臺(tái)中心的數(shù)據(jù)通信（圖5）。自檢信號(hào)電路的設(shè)計(jì)（圖6）。

圖5 USB接口硬件電路

圖6 自檢電路圖

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

3 脈沖檢測(cè)板軟件設(shè)計(jì)

脈沖檢測(cè)板的軟件設(shè)計(jì)基于Silicon Laboratories ID E+ Keil uV i2s ion3開(kāi)發(fā)環(huán)境。脈沖檢測(cè)板軟件的主函數(shù)流程如圖7所示。

由C語(yǔ)言的特性可知，脈沖檢測(cè)板軟件的整個(gè)運(yùn)行流程由主函數(shù)main函數(shù)來(lái)控制，整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)是基于模塊化，針對(duì)要實(shí)現(xiàn)的不同的功能編寫(xiě)相應(yīng)的函數(shù)模塊。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想是采用C語(yǔ)言模塊化編程，結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)，按功能進(jìn)行模塊化。各模塊相對(duì)獨(dú)立，便于調(diào)試、調(diào)用，同時(shí)，充分利用所選芯片的特點(diǎn)，進(jìn)行程序的編寫(xiě)，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(shè)備初始化函數(shù)Device_Init（）來(lái)實(shí)現(xiàn)，在軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)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(shí)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(shí)鐘，在前面硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)提到為了保證脈沖檢測(cè)板系統(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性、精度性，采取外部24 M晶振時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘。需要注意的是由C8051F206單片機(jī)中文手冊(cè)中知道當(dāng)外部晶體振蕩器運(yùn)行并穩(wěn)定后，晶體振蕩器有效標(biāo)志（寄存器OSCXCN中的XTLVLD）被硬件置‘1’。XTLVLD檢測(cè)電路需要在使能振蕩器和檢測(cè)XTLVLD位之間至少有1 ms的建立時(shí)間。所以O(shè)scillator_Init()函數(shù)函數(shù)實(shí)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(dǎo)致不可預(yù)見(jiàn)的后果。

3.2 中斷模塊

根據(jù)脈沖檢測(cè)板要生成的自檢信號(hào)、速度信號(hào)、俯仰信號(hào)的特點(diǎn)，其軟件中斷模塊主要包括定時(shí)器0、定時(shí)器1、定時(shí)器2及外部中斷INT1。這些中斷主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)自檢信號(hào)、速度信號(hào)的模擬。定時(shí)器0、定時(shí)器1、外部中斷INT1用來(lái)自檢時(shí)鐘、自檢地址、自檢應(yīng)答的時(shí)序控制。定時(shí)器2用于速度脈沖信號(hào)頻率的控制。在這里就重點(diǎn)介紹下自檢信號(hào)的實(shí)現(xiàn)原理，這也是軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn)。

脈沖檢測(cè)板所模擬的自檢時(shí)鐘脈沖的頻率為0.2 ms，8個(gè)脈沖為1組，自檢地址是8個(gè)串行字，每1字對(duì)應(yīng)1個(gè)周期的自檢時(shí)鐘，前4個(gè)串行字是0101固定不變，后4個(gè)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(dāng)雷達(dá)天線系統(tǒng)接收雷達(dá)天線系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)發(fā)送的自檢時(shí)鐘、自檢地址信號(hào)時(shí)，會(huì)對(duì)進(jìn)行相應(yīng)的自檢，混合信號(hào)系統(tǒng)并將接收的自檢結(jié)果反饋給上位機(jī)，正常則有脈沖，不正常則無(wú)脈沖，邏輯0自檢除外。

由自檢信號(hào)的特點(diǎn)，采取用定時(shí)器0、定時(shí)器1、外部中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)自檢時(shí)鐘、自檢地址信號(hào)的生成并接收相應(yīng)的自檢應(yīng)答信號(hào)。自檢時(shí)鐘的脈沖周期為0.2 ms，一個(gè)脈沖包括一高一低電平即高低電平持續(xù)時(shí)間為0.1 ms，那么T0的工作時(shí)間要為0.1 ms，定時(shí)器T0為16位計(jì)數(shù)器模式，若計(jì)數(shù)值超過(guò)0XFFFF則會(huì)溢出，則會(huì)進(jìn)入定時(shí)器T0中斷。根據(jù)T0定時(shí)器的時(shí)鐘頻率為24 M，可設(shè)定定時(shí)器T0的初值為0XF69F，來(lái)實(shí)現(xiàn)自檢時(shí)鐘、自檢地址信號(hào)的生成。

由前面單片機(jī)控制電路中可以看到P0.3端口INT1接來(lái)自反饋回來(lái)的自檢應(yīng)答信號(hào)，外部中斷1是由自檢應(yīng)答信號(hào)觸發(fā)的，即有反饋的自檢應(yīng)答脈沖高電平時(shí)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。定時(shí)器1的工作時(shí)間為24 ms，它主要是對(duì)反饋?zhàn)詸z應(yīng)答信號(hào)的超時(shí)處理，如果過(guò)了24 ms還未有接收到自檢應(yīng)答脈沖，則就默認(rèn)無(wú)自檢應(yīng)答脈沖即自檢未通過(guò)。定時(shí)器0的部分程序代碼如下，從中可以看到自檢時(shí)鐘、自檢地址實(shí)現(xiàn)的原理，當(dāng)j=17時(shí)，此時(shí)將自檢應(yīng)答標(biāo)志reply_flag置1表示自檢地址、自檢時(shí)鐘已經(jīng)發(fā)送，開(kāi)啟定時(shí)器1和外部中斷是對(duì)接收自檢應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊

脈沖檢測(cè)板軟件的數(shù)據(jù)通信模塊包括讀USB數(shù)據(jù)Read_USB（）、寫(xiě)USB數(shù)據(jù)Write_USB（）函數(shù)。讀USB數(shù)據(jù)Read_USB（）是通過(guò)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C(jī)C8051F206，寫(xiě)USB數(shù)據(jù)Write_USB（）是將單片機(jī)端口反饋的命令數(shù)據(jù)寫(xiě)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(biāo)志RXF、發(fā)送緩沖區(qū)空標(biāo)志TXF端、讀寫(xiě)控制RD#、WR與單片機(jī)C8051F206的P3.4，P3.5，P3.6，P3.7端相連，作為讀寫(xiě)USB數(shù)據(jù)的控制信號(hào)。讀寫(xiě)操作函數(shù)原理主要是根據(jù)FT245R的讀寫(xiě)時(shí)序[7]。

3.4 命令處理模塊

混合信號(hào)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(yīng)的指令進(jìn)入相應(yīng)的處理模塊。這一功能主要由命令處理函數(shù)Data_Dispose（）來(lái)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(lái)判斷是什么指令就進(jìn)入相應(yīng)的指令響應(yīng)模塊。

4 結(jié)束語(yǔ)

便攜式機(jī)載雷達(dá)天線測(cè)控平臺(tái)的脈沖檢測(cè)板，通過(guò)提供自檢時(shí)鐘、自檢地址，對(duì)自檢應(yīng)答脈沖解碼，能快速地檢測(cè)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(zhǔn)確、快速、便捷等優(yōu)點(diǎn)。解決了原來(lái)進(jìn)口的測(cè)試臺(tái)不能滿足部隊(duì)作戰(zhàn)轉(zhuǎn)場(chǎng)的難題，該測(cè)試與控制平臺(tái)適合應(yīng)用于對(duì)體積和功能都有較高要求的某型雷達(dá)天線系統(tǒng)的檢測(cè)診斷。

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〔編輯 利文〕

TN957.2

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.48