（南京恩瑞特實業(yè)有限公司，南京 211106）

0 引言

航空運輸安全保障通常要求天氣雷達24小時不間斷或者允許短間斷運行，這對雷達天線伺服系統有著高可靠性、高強度、高環(huán)境適應性等要求[1]。因此，伺服系統常采用冗余設計的方式。在現有的雷達伺服冗余方案中，航管二次雷達大多采用雙機熱備[2]，即雙電機雙驅動器冗余配置，通過PLC或PCC實現熱切換[3]。但二次雷達只有方位軸的轉動，該方案需要復雜的機械或電磁離合裝置，在通常為雙軸的氣象雷達上實施將大大增加設備量和系統成本，未見實際應用。胡芳芳等人[4]所采用的是繼電器-接觸器控制系統，內部全部電纜導線連接，布線量大，無智能化控制、反饋和BIT（機內自測試）功能，切換過程不區(qū)分大小信號，缺乏足夠的保護機制，現場應用過程中一旦出現問題則難以診斷和排查。

以機場天氣雷達為例，可靠性瓶頸點不在天線座電機和角碼反饋環(huán)節(jié)，主要存在于室內伺服分機，尤其是電機伺服驅動器部分[5]。本文采用混合冗余配置，即天線座設備為單機，伺服分機為雙機冗余的方案，在不大幅提高系統復雜度和成本的前提下，在很大程度上提升系統的可靠性。

1 雙機冗余系統組成

圖1 雙機冗余系統

如圖1所示，伺服系統由兩套相同的伺服分機A和伺服分機B（命名為A機和B機）、一套雙機冗余切換控制系統（以下簡稱“切換控制系統”）以及一套天線座設備組成。對于單機來說，伺服主控單元接收到來自相對應上位機（通常為數據處理機）的工作模式指令，經過處理后發(fā)送運動指令到方位和俯仰電機驅動器，驅動電機使天線按要求運動；同時主控單元接收天線角編碼數據和天線座控保信號，分別發(fā)送給信號處理和數據處理，通過顯控單元顯示當前的天線控制狀態(tài)，并實現本控人機交互。

兩套伺服系統完全等同且獨立，同一時刻只有一個分機參與控制工作，所有的控制和功率信號都由該分機發(fā)出和接收，即“在線”，而另一臺不參與控制工作的狀態(tài)為“離線”。兩套伺服分機只要有一套正常工作，就可以實現雷達伺服控制功能。當兩個分機均處于正常狀態(tài)下，可以通過人工進行切換，由數據處理對當前的“離線”方發(fā)出“在線”指令，在切換控制系統的流程配合下，等待另一方“離線”完成后，自動將自身切換為“在線”狀態(tài)。當其中一個正常工作的分機出現故障后，可以由該分機自動發(fā)起切換流程，將自身“離線”，并通知對方“在線”。

2 硬件架構

在硬件架構的設計上，充分考慮系統的可靠性和可擴展性。整個雙機冗余切換由伺服分機內的主控單元和切換控制系統的主控單元相互協同實現。伺服主控單元負責整個伺服算法和與各個外設及分系統的接口，主控芯片選擇基于C語言編程的ARM處理器，便于算法的實現。切換控制系統的主控單元一方面要完成各個繼電器回路的切換時序等相對固化的邏輯控制，可靠性要求很高；另一方面需要進行智能化的BIT檢測并與伺服分機通信，具有相對靈活性。因此，其主控芯片選擇可運行IP軟核的FPGA芯片。整體的硬件架構如圖2所示，其中切換控制系統的硬件架構是本文的研究重點。

切換控制系統由一塊基于FPGA的板載繼電器組PCB，大功率接觸器，以及輔助元件安裝于控制插箱內，各個功能單元的組成和功能如下：

1）主控單元：主要由FPGA構成處理核心，采用Altera公司的Cyclone第四代FPGA芯片EP4CE10F17C8N，通過接口單元接收來自伺服分機的切換指令，通過光耦電路向功率信號切換單元和小信號切換單元發(fā)送切換控制信號并接收各路狀態(tài)反饋，并通過接口單元向兩個分機反饋當前狀態(tài)和BIT。從FPGA片內結構規(guī)劃上，對于功率信號切換和小信號切換單元的控制，屬于邏輯控制，采用硬件描述語言將其固化在片內LEs中，形成硬件化的切換控制，保證高度的可靠性。與接口單元涉及到通信協議和BIT檢測方式等需要靈活處理的軟件化管理，采用在Nios II軟核上用C語言進行用戶自定義的方式進行設計編寫。

圖2 雙機冗余系統硬件架構

2）功率信號切換單元：由4路功率繼電器帶動4路三相交流接觸器，實現功率級即電機的切換。對于一個控制切換回路，如方位回路，對應的A機和B機功率接口接入切換單元，輸出一路功率接口接入方位電機。功率繼電器采用周期性脈沖驅動，從而大幅降低線圈吸合電流，延長工作壽命，提高系統可靠性。每1路功率繼電器輸出控制1個交流接觸器線圈，并獲得該路接觸器輔助觸點的反饋。更進一步地，除了在FPGA的控制輸出上保證不會出現兩路同時導通外，還利用交流接觸器的輔助觸點構成硬件互鎖，確保不出現A機和B機的功率接口同時接入方位電機導致嚴重故障的情形。

3）小信號切換單元：由驅動IC帶動微型繼電器，實現小信號（如電機旋變信號和電機抱閘信號）的切換，包含20路模擬信號和4路直流信號。對于一個控制切換回路，對應的A機和B機小信號接口接入切換單元，輸出一路小信號接口接入方位電機。信號切換采用歐姆龍G6SU-2磁保持繼電器，驅動IC均采用BL8023D，每個繼電器為雙刀雙擲，其中1路做輸出，另一路做狀態(tài)反饋，FPGA到驅動IC，以及反饋信號到FPGA之間都經過光耦隔離。磁保持繼電器提高整個系統的可靠性。驅動采用周期性脈沖驅動，A、B的輸入狀態(tài)每隔200ms刷新一次，驅動脈沖寬度為100ms，脈沖與脈沖之間間隔為100ms，如圖3所示。

圖3 磁保持繼電器驅動脈沖

4）接口單元：通過接口芯片AM26C32獲取伺服分機的2路RS422差分切換控制信號，分別代表A機離線/在線和B機離線/在線，將差分信號轉換成單端電平并傳遞給主控FPGA，同時將FPGA給出的單端信號通過接口芯片AM26C31轉化為RS422差分信號，向伺服分機反饋當前兩個分機的在線/離線狀態(tài)，并通過RS422串口與伺服分機通信反饋自身的BIT故障信息。

3 軟件實現及系統驗證

冗余系統的軟件實現上包含兩套完全相同的伺服分機的ARM軟件和切換控制系統的FPGA邏輯程序。切換控制系統內部，兩個分機之間，以及分機與切換控制系統之間的協同工作流程，是本文的重點研究對象。

3.1 切換控制系統FPGA軟件實現

在片內LEs實現的硬件邏輯如下：

1）接口單元通過硬件獲取切換分機的兩路切換控制指令，A_CMD和B_CMD，分別代表A機離線/在線和B機離線/在線的控制指令；為了避免線路干擾導致切換錯誤， FPGA采取多次定時采樣后確認并鎖定輸入；

2）FPGA每隔規(guī)定時間讀取由微型繼電器反饋的狀態(tài)信號，多次采樣鎖定反饋狀態(tài)，并且傳遞給內部的BIT；

3）FPGA每隔規(guī)定時間讀取由接觸器輔助觸點反饋的“在線/離線”信號，其中，A機2路（分別為方位和俯仰回路），B機2路（分別為方位和俯仰回路），對于A機或B機來說，必須2路為相同狀態(tài)才認為信號有效，多次采樣并鎖定反饋狀態(tài)，同時通過接口單元輸出2路差分信號A_FBK，B_FBK作為狀態(tài)反饋給兩個伺服分機，A機和B機均可獲取兩個分機的狀態(tài)；

4）FPGA根據當前的控制命令，進行相應離線或者切換動作。其中，切換的動作為：先同時切換小信號繼電器至在線一方，并檢測全部信號的反饋已切換完畢之后，“在線”指令對應的接觸器得電，同時相應的接觸器反饋信號接入FPGA。

同時在IP庫中調用Nios II處理器，掛載到32位Avalon總線上，利用軟核進行自檢測和故障上報，即BIT功能：

1）任意一個微型繼電器的反饋與給定邏輯不一致，并且長達給定的時間后，強制A機、B機離線，BIT報故障；

2）任意一個功率繼電器對應的接觸器的反饋與給定不一致，并且長達給定的時間后，強制A機、B機離線，BIT報故障；

3）當2路切換控制指令均為“在線”(A_CMD=1，B_CMD=1)，并且長達給定的時間后，強制A機、B機離線，BIT報故障。

3.2 協同軟件實現

在系統工作邏輯的基礎上，系統雙機切換功能需要伺服分機（ARM）與切換分機（FPGA）協同工作來實現。三種典型場景分布以及具體實施過程如下：

場景1：A機和B機均正常，且均處于離線狀態(tài)。當A機接收到數據處理的“在線”指令，并且通過控制切換系統的反饋檢測到B機為“離線”，則A機發(fā)出A_CMD=1給切換控制系統，切換系統先后將小信號繼電器和功率繼電器切換至A機側，當A機檢測到反饋為A_FBK=1時，A機啟動（加使能）正常投入工作。

場景2：A機和B機均正常，A機處于在線工作狀態(tài)，B機離線。有如下兩種情形：

1）當A機接收到數據處理的“離線”指令，A機停機，去使能，然后A機發(fā)出A_CMD=0給切換控制系統，進行A機離線動作，這種情形A機不主動通知B機在線；

2）當B機接收到數據處理的“在線”指令，通過之間的互聯總線發(fā)送指令通知A機離線，A機接收到指令后發(fā)出A_CMD=0給切換控制系統，進行A機離線動作；當B機檢測到A機的狀態(tài)反饋A_FBK=0后，發(fā)出B_CMD=1給切換控制系統進行切換動作，使得B機在線，當B機檢測到B機的狀態(tài)反饋B_FBK=1后，B機啟動（加使能）正常投入工作。

場景3：A機處于在線工作狀態(tài)，B機離線，此時A機自身發(fā)生故障，A機停機，去使能，然后A機發(fā)出A_CMD=0給切換控制系統，進行A機離線動作，當A機檢測到A機的狀態(tài)反饋A_FBK=0后，通過互聯總線發(fā)送指令通知B機在線，B機接收到指令后發(fā)出B_CMD=1給切換控制系統進行切換動作，使得B機在線，當B機檢測到B機的狀態(tài)反饋B_FBK=1后，B機啟動（加使能）正常投入工作。

3.3 實現與驗證

采用2套相同的伺服驅動系統（含ARM伺服主控板+科爾摩根AKD-00606伺服驅動器）和1套切換控制系統（含FPGA切換控制板和交流接觸器）對應1套天線座設備（含科爾摩根AKM33伺服電機和BCE38BS6型絕對值編碼器），通過電纜連接組成雙機冗余伺服實驗系統，如圖4所示。

圖4 雙機冗余伺服實驗系統

測試過程分為主動切換和被動切換?，F令A機以PPI模式（即按給定速度連續(xù)掃描）工作，B機離線。主動切換測試中，將A機伺服驅動器電機反饋插頭拔掉，人為制造A機故障。被動切換測試中，在數據處理機中向B機發(fā)送“在線”指令。經過多次重復測試，實驗結果表明，切換觸發(fā)后，均能夠順利實現A機停機、去使能、離線之后，B機小信號和功率信號先后切換，在線、加使能，并接管A機的工作模式實現PPI，切換過程柔性化，BIT反饋正常。

4 結束語

本文針對現有技術的不足，采用混合冗余配置，提出并研究一種基于ARM和FPGA協同的雷達伺服雙機冗余切換控制系統，在討論了其系統組成、硬件架構、軟件流程后，通過搭建實驗系統進行了功能驗證。系統在設計上以高可靠性硬件為基礎，結合嚴密的軟件邏輯實現，并通過靈活的BIT反饋使故障排查可視化，大大降低后期維護成本，可推廣應用至高可靠性要求的機場天氣雷達系統和其他有相關要求的雷達系統中。