甄 潔，向 兵，薛曉莉，張楊林子，楊明華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所，北京 100015）

本文中設(shè)計(jì)的控制保護(hù)系統(tǒng)適用的行波管放大器要求輸出功率≥350kW，因此選用了兩支行波管合成的方式設(shè)計(jì)。該放大器要同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩支行波管工作電源的邏輯控制、保護(hù)以及電源參數(shù)的檢測(cè)。放大器的行波管功率合成還需要經(jīng)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)分成兩路，分別轉(zhuǎn)化為7/16（f）和WRD650波導(dǎo)口輸出。因此放大器的控制保護(hù)系統(tǒng)還需要控制波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的切換。本文介紹了該放大器的控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 放大器微波鏈路

放大器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要結(jié)合系統(tǒng)的微波鏈路[1]，如圖1所示。射頻輸入后，經(jīng)過(guò)前級(jí)固放進(jìn)行初級(jí)放大，通過(guò)功分器分成兩路信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)增益均衡器和補(bǔ)相電纜進(jìn)入兩個(gè)行波管的輸入端，由行波管將信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)魔T進(jìn)行合成，最后通過(guò)雙定向耦合器到達(dá)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)。根據(jù)實(shí)際需要切換波導(dǎo)開(kāi)關(guān)來(lái)選擇信號(hào)的輸出通道。

圖1 微波鏈路圖

1.2 放大器控制系統(tǒng)功能

放大器控制系統(tǒng)具有控制和保護(hù)功能。控制功能包括：

（1）按鍵控制：高壓控制按鍵（RF ON/OFF）；復(fù)位按鍵（RESET）；本地遠(yuǎn)程按鍵（REMOTE）；波導(dǎo)開(kāi)關(guān)切換按鍵。

（2）數(shù)據(jù)采集功能：溫度采集（電源、集電極和機(jī)箱）；兩支行波管各自工作電壓和電流；輸出信號(hào)正、反向功率。

（3）編碼器控制：改變輸出頻率顯示；輸入功率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

（4）液晶屏顯示控制：通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)放大器的狀態(tài)、控制信息和故障信息在液晶屏幕上的顯示。

（5）控制輸出信號(hào)：高壓控制；前級(jí)固放供電控制；波導(dǎo)開(kāi)關(guān)切換控制。

保護(hù)功能則包括：

（1）高壓保護(hù)：接收高壓電源給出的故障信號(hào)切斷高壓，顯示對(duì)應(yīng)故障；根據(jù)采集到的兩支行波管的電壓和電流作出保護(hù)，切斷高壓，顯示故障。

（2）溫度保護(hù)：當(dāng)電源超溫時(shí)，需要重新給設(shè)備上電；當(dāng)集電極超溫時(shí)，點(diǎn)擊RESET重新上高壓；當(dāng)機(jī)箱溫度超溫時(shí)，需要切斷電源，進(jìn)行檢查。

（3）波導(dǎo)開(kāi)關(guān)切換保護(hù)：波導(dǎo)開(kāi)關(guān)會(huì)提供兩組限位信號(hào)，限位信號(hào)接通代表波導(dǎo)開(kāi)關(guān)到位。波導(dǎo)開(kāi)關(guān)不到位時(shí)，不能開(kāi)啟高壓。高壓開(kāi)啟時(shí)，不能進(jìn)行波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的切換。

（4）駐波比保護(hù)：根據(jù)采集的正反向功率，計(jì)算實(shí)時(shí)駐波比，當(dāng)放大器輸出口駐波比超過(guò)限制后，切斷高壓，顯示故障。點(diǎn)擊RESET可重新加高壓。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以DSP（Digital Signal Processing）和FPGA（Field-Programmable Gate Array）為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)組成如圖2所示。主要包括數(shù)據(jù)采集、I/O端口控制、人機(jī)界面和通信電路。

A/D數(shù)據(jù)采集使用AD7656的三路DOUT線的串行接口設(shè)計(jì)[2]，圖3顯示了六個(gè)同步轉(zhuǎn)換以及采用三DOUT線路的讀取序列。A/D數(shù)據(jù)的采集，利用FPGA編程實(shí)現(xiàn)，最后采集的數(shù)據(jù)通過(guò)地址總線和數(shù)據(jù)總線發(fā)送至DSP進(jìn)行處理。AD7656采樣包括兩支行波管電壓和電流以及輸出正反向功率。溫度采集則使用DSP芯片自帶端口。溫度芯片選用TMP01線性電壓輸出的溫度傳感器。

I/O端口控制則包括輸出和輸入。輸出端口控制包括電源開(kāi)關(guān)、前級(jí)固放開(kāi)關(guān)、波導(dǎo)開(kāi)關(guān)切換；輸入端口包括電源故障、波導(dǎo)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。I/O端口的控制主要通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA可以快速的處理組合邏輯和時(shí)序問(wèn)題。

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖

圖3 AD7656串行接口

人機(jī)界面設(shè)計(jì)包括按鍵、編碼器和液晶屏。為了提高控制器的效率，本設(shè)計(jì)采用中斷的方式處理按鍵動(dòng)作。FPGA對(duì)按鍵信號(hào)進(jìn)行軟件濾波和組合邏輯分析處理后，發(fā)出中斷信號(hào)給DSP，DSP讀取按鍵值進(jìn)行響應(yīng)。液晶屏用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、故障信息等，結(jié)合編碼器實(shí)現(xiàn)頻率、GPIB地址、功率校正參數(shù)的輸入。

通信電路則使用了RS232和GPIB的通信方式。用戶可以通過(guò)GPIB接口，利用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件流程

FPAG軟件需要對(duì)各部分的I/O端口進(jìn)行定義，輸入端口包括按鍵、編碼器、A/D采樣、電源故障、波導(dǎo)開(kāi)關(guān)狀態(tài)等；輸出端口則包括電源開(kāi)關(guān)控制、前級(jí)固放開(kāi)關(guān)控制、波導(dǎo)開(kāi)關(guān)切換控制。FPGA程序需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)I/O輸入端口的電平變換，并發(fā)出相應(yīng)的中斷信號(hào)交給DSP處理。同時(shí)，F(xiàn)PGA還需要將DSP回復(fù)的響應(yīng)信號(hào)通過(guò)I/O輸出端口發(fā)出對(duì)應(yīng)的高低電平。FPGA的開(kāi)發(fā)環(huán)境為ISE Design Suite 14.2軟件，采用VHDL硬件語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼[3]。

DSP軟件部分需要對(duì)FPGA的發(fā)出的按鍵中斷的響應(yīng)，AD采樣的數(shù)據(jù)處理，液晶屏的顯示，故障信號(hào)的分析處理，放大器工作的邏輯控制，存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)以及與上位機(jī)的通信等。其中放大器工作的邏輯控制是軟件的關(guān)鍵部分。放大器的正常工作有著嚴(yán)格的順序要求。放大器工作過(guò)程中還需要對(duì)故障做出保護(hù)控制。DSP芯片F(xiàn)2812的開(kāi)發(fā)環(huán)境為CCS（Code Compose Studio V4）軟件，用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼[4]。

DSP中軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。放大器開(kāi)機(jī)后，系統(tǒng)開(kāi)始預(yù)熱，倒計(jì)時(shí)180s。預(yù)熱結(jié)束后，液晶屏顯示操作界面，顯示高壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)、頻率、正反向傳輸功率，兩支行波管陰極電壓、管體電流、收集極溫度、機(jī)箱內(nèi)部溫度、累計(jì)工作時(shí)間、微波開(kāi)關(guān)位置等。通過(guò)微波開(kāi)關(guān)限位信號(hào)判斷能否進(jìn)入加高壓步驟，若無(wú)限位信號(hào)，則系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)錯(cuò)，不能加高壓。若有限位信號(hào)，可以加高壓。點(diǎn)擊RF ON開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)開(kāi)始給行波管加電。此時(shí)軟件采集兩支行波管高壓電源參數(shù)，判斷高壓是否正常，出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切斷高壓電源，并報(bào)故障。加電正常后，延遲1S給前級(jí)固放加電。放大器正常工作后，監(jiān)測(cè)輸出口正反向功率，進(jìn)行駐波比保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)保護(hù)時(shí)，自動(dòng)切斷高壓，顯示故障信息。點(diǎn)擊RESET按鍵后，可重復(fù)加高壓。同時(shí)，軟件監(jiān)測(cè)電源、收集極和機(jī)箱溫度，當(dāng)超溫時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)使用波導(dǎo)開(kāi)關(guān)切換輸出通道時(shí)，軟件則需要判斷高壓狀態(tài)，只有關(guān)閉時(shí)，才能進(jìn)行切換，否則顯示屏提示當(dāng)前狀態(tài)。

圖4 軟件流程圖

3.2 液晶屏設(shè)計(jì)

液晶屏幕的狀態(tài)顯示界面需要顯示高壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)、正、反向功率，兩支行波管的陰極電壓、管體電流、收集極溫度、機(jī)箱內(nèi)部溫度、累計(jì)工作時(shí)間、波導(dǎo)開(kāi)關(guān)位置信息。同時(shí)針對(duì)不同的故障，還設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的故障顯示界面。液晶屏幕選用迪文7寸DGUS屏，屏幕設(shè)計(jì)使用液晶屏配置軟件DGUS V5.04[5]。各界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 放大器狀態(tài)顯示界面及故障顯示界面設(shè)計(jì)

4 控制系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程與結(jié)果

系統(tǒng)完成后，利用Kingst LA2016邏輯分析儀對(duì)邏輯控制進(jìn)行分析。如圖6所示，當(dāng)高壓開(kāi)時(shí)（低電平有效），兩路高壓控制信號(hào)同時(shí)開(kāi)啟（高電平有效），延時(shí)1S后前級(jí)固放供電（高電平有效）信號(hào)開(kāi)啟。高壓關(guān)閉狀態(tài)下，當(dāng)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)切換信號(hào)（低電平有效）動(dòng)作時(shí)，波導(dǎo)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)會(huì)進(jìn)行對(duì)應(yīng)輸出（高低電平切換）。此外通過(guò)模擬系統(tǒng)發(fā)生的各種故障，對(duì)其保護(hù)功能進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)都能夠?qū)收闲盘?hào)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和顯示，快速的作出保護(hù)動(dòng)作，確保系統(tǒng)安全。將控制系統(tǒng)裝機(jī)聯(lián)調(diào)后，在軟硬件的協(xié)同工作下，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，放大器工作正常，取得了理想的控制保護(hù)效果。

圖6 高壓控制邏輯和波導(dǎo)開(kāi)關(guān)控制邏輯信號(hào)檢測(cè)

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用了DSP和FPGA作為控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙行波管功率合成放大器的控制與保護(hù)功能。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩支行波管電源的同時(shí)控制和波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的切換。本系統(tǒng)充分利用了FPGA的I/O端口資源，結(jié)合DSP的設(shè)計(jì)使整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)緊湊，響應(yīng)速度快。同時(shí)本控制系統(tǒng)還具有較好的可移植性，對(duì)放大器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。整機(jī)測(cè)試表明，本控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足雙行波管功率合成放大器對(duì)控保系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

[1] 熊露，費(fèi)樹(shù)岷，向兵.黃軍.基于DSP和CPLD的行波管放大器控保系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2015（4）：33-35.

[2] 楊寶龍，鄢興俊.AD7656的串行技術(shù)[J].船電技術(shù)，2009（11）：48-51.

[3] 侯伯亨，劉凱，顧新.VHDL硬件描述語(yǔ)言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2014.

[4] 顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP：基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[5] 北京迪文科技有限公司.迪文DGUS屏用戶開(kāi)發(fā)指南[Z]，2013.