張 溦

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068）

1 引言

雷達(dá)伺服系統(tǒng)即天線位置隨動(dòng)系統(tǒng)是雷達(dá)的重要組成部分，它對(duì)于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)以及精確地測(cè)量目標(biāo)位置都起著重要作用［1］。雷達(dá)伺服系統(tǒng)一般包括方位回路與俯仰回路［2］，在工作時(shí)依靠方位和俯仰回路驅(qū)動(dòng)雷達(dá)天線完成指定動(dòng)作，不工作時(shí)需要天線鎖定裝置保持天線的穩(wěn)定。

雷達(dá)天線鎖安裝于天線座上，通過鎖定裝置，可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線在方位、俯仰回路中的零位自鎖。因艦艇在水面航行時(shí)會(huì)發(fā)生縱橫搖、升沉以及航向改變的情況，自動(dòng)鎖裝置可以在伺服系統(tǒng)斷電后保護(hù)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，維持天線的穩(wěn)定性［3］。傳統(tǒng)的手動(dòng)鎖裝置在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多問題，例如在航行的艦艇上，手動(dòng)鎖裝置需要靠人工攀爬到天線上去工作，這在航行過程中是比較危險(xiǎn)的，安全性差，操作難度大［4］。相比而言，自動(dòng)鎖裝置避免了人為操作，自動(dòng)化程度提高，但雷達(dá)自動(dòng)鎖仍需要控制器對(duì)其進(jìn)行邏輯控制。本文旨在設(shè)計(jì)一個(gè)帶有單片機(jī)控制的自動(dòng)鎖控制單元，可以獨(dú)立完成邏輯控制及開閉鎖到位狀態(tài)回示，大大增強(qiáng)了適用性、可靠性和安全性。

2 自動(dòng)鎖控制單元工作原理

自動(dòng)鎖控制單元是雷達(dá)伺服系統(tǒng)不可缺少的一部分，對(duì)艦載雷達(dá)的可靠工作起著重要的作用。自動(dòng)鎖控制單元可以在指令控制下對(duì)自動(dòng)鎖進(jìn)行操作，并實(shí)時(shí)反饋狀態(tài)信息?？刂破髋c單片機(jī)之間通過RS422電平格式進(jìn)行全雙工通信［5］，控制器發(fā)送方位和俯仰的開、閉鎖控制指令給單片機(jī)，單片機(jī)反饋開、閉鎖到位回示信號(hào)給控制器?？刂浦噶钔ㄟ^三極管驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)［6］，自動(dòng)鎖的到位信號(hào)直接在單元內(nèi)部由單片機(jī)進(jìn)行邏輯控制，再通過RS422電平通信傳回控制器。該設(shè)計(jì)大大提高了單元自適應(yīng)性，降低了處理回示信號(hào)的復(fù)雜程度，同時(shí)減少了匯流環(huán)信號(hào)線數(shù)量。自動(dòng)鎖控制單元工作原理如圖1所示。

圖1 自動(dòng)鎖控制單元工作原理

3 硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)鎖控制單元的硬件設(shè)計(jì)由單片機(jī)控制電路、繼電器控制電路、電源電路、信號(hào)回示處理電路等部分組成。本單元設(shè)計(jì)依照100%國產(chǎn)化的原則進(jìn)行，所選用的器件均為國產(chǎn)器件，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)軍用電子元器件的自主可控。

3.1 自動(dòng)鎖控制電路整體設(shè)計(jì)

控制器發(fā)送控制指令給單片機(jī)，單片機(jī)反饋到位信號(hào)回示給控制器。24V電源通過微動(dòng)開關(guān)的常閉觸點(diǎn)接通到繼電器的觸點(diǎn)，單片機(jī)接到控制指令后，通過三極管控制繼電器切換常開、常閉觸點(diǎn)［7］，實(shí)現(xiàn)鎖電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，完成開、閉鎖。當(dāng)開、閉鎖到位時(shí)，微動(dòng)開關(guān)接通到其常開觸點(diǎn)，電機(jī)斷電，光電隔離器產(chǎn)生到位信號(hào)回示給單片機(jī)。

其中，自動(dòng)鎖控制單元安裝于雷達(dá)天線座上，與伺服控制器間的連接電纜長度達(dá)數(shù)十米，信號(hào)傳輸采用RS422差分信號(hào)及帶屏蔽的雙絞線等設(shè)計(jì)方式更能很好地防止外部強(qiáng)電磁干擾。同時(shí)，在設(shè)計(jì)中使用光電耦合器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱信號(hào)之間的隔離［8］。自動(dòng)鎖控制電路整體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)鎖控制電路整體設(shè)計(jì)圖

3.2 電源電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)鎖控制單元需要系統(tǒng)提供24V的直流電源，在單元電路設(shè)計(jì)中共有24V和5V兩種電源，其中24V是鎖電機(jī)的工作電源；5V是提供給單片機(jī)和光電隔離器的工作電源。為了減少系統(tǒng)輸入自動(dòng)鎖控制單元的電源種類，提高單元適用性，故增加一個(gè)DC/DC電路，使24V轉(zhuǎn)換成5V，電源電路框圖如圖3所示。

圖3 電源電路框圖

DC/DC電路選用的整流降壓電源芯片是株洲宏達(dá)的XC8222電源芯片，該芯片輸入電壓范圍4.5V到40V，可輸出3A平均電流，具有完善的保護(hù)功能，能夠滿足單元需要，實(shí)現(xiàn)24V轉(zhuǎn)5V的功能，使其單元只需要系統(tǒng)提供24V電源即可。24V通過電源芯片降壓直接將5V提供給單片機(jī)和光電隔離器，DC/DC電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 DC/DC電路設(shè)計(jì)圖

3.3 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

本文自動(dòng)鎖控制單元設(shè)計(jì)加入了單片機(jī)及外圍電路，使鎖到位信號(hào)在單元內(nèi)部進(jìn)行邏輯控制，減少了控制器與單元間的信號(hào)連線，提高了自適應(yīng)性。單片機(jī)采用深圳國微的SM9956B1D，它與MCS-51產(chǎn)品兼容，是一個(gè)低功率高性能CMOS8位微處理器，帶有43字節(jié)flash，256字節(jié)RAM，32條I/O線，三個(gè)16位計(jì)數(shù)器，8個(gè)中斷源，全雙工串行端口。單片機(jī)與控制器之間用于串行通信的RS422信號(hào)收發(fā)器選用深圳國微的SM490，工作電壓是5V±0.5V，最大傳輸速率2.5Mbps，滿足系統(tǒng)需求。

單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中還需考慮時(shí)鐘電路和復(fù)位電路［9］。其中時(shí)鐘電路用來產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所必需的控制信號(hào)。SM9956B1D單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，XTAL1和XTAL2兩個(gè)引腳外部跨接頻率為11.0592MHz的石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。

復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于“死循環(huán)”或者“跑飛”狀態(tài)，也需要復(fù)位重新啟動(dòng)程序，復(fù)位電路包括上電自動(dòng)復(fù)位和人工按鍵復(fù)位［10］。其次，芯片中的P0-P3為8位并行I/O端口，RXD和TXD引腳為異步收發(fā)串行口（UART）。單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 單片機(jī)控制原理圖

3.4 繼電器控制電路設(shè)計(jì)

在鎖電機(jī)的應(yīng)用中繼電器通常會(huì)選擇電磁繼電器或固態(tài)繼電器，本單元以模塊化、小型化設(shè)計(jì)為思路，若選用固態(tài)繼電器，要實(shí)現(xiàn)方位、俯仰的開、閉鎖控制，電路共需要八個(gè)國產(chǎn)固態(tài)繼電器，這就增大了印制板的尺寸，同時(shí)提高了設(shè)計(jì)成本。為了優(yōu)化單元使其趨于小型化，利用電磁繼電器可以通過自身吸合通斷的特點(diǎn)［11～12］，這里只需要四個(gè)電磁繼電器即可，故在本設(shè)計(jì)中選用適用本設(shè)計(jì)要求的電磁繼電器。

繼電器負(fù)載選用的是西安微電機(jī)研究所研制的40ZY-DZ01型電機(jī)，額定電壓為24V，額定電流不大于1.1A。針對(duì)于電機(jī)負(fù)載，繼電器選用的是貴州航天電器的超小型密封電磁繼電器JZC-078M/024-01-II，其線圈電壓額定值是24Vdc，觸點(diǎn)負(fù)載高電平為5A/28Vdc，主要參數(shù)滿足負(fù)載需求。方位和俯仰的繼電器控制電路原理相同，這里以方位開、閉鎖控制電路為例，如圖6所示。

圖6 方位開、閉鎖控制電路圖

其中，三極管V1、V2是將單片機(jī)輸出的控制信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大；并聯(lián)在線圈兩端的續(xù)流二極管D1、D2是起到保護(hù)繼電器的作用；R14、R15串聯(lián)到繼電器和電機(jī)的線路中，可以起到限流的作用，保護(hù)電機(jī)。

K1、K2為電磁繼電器，3、6為線圈引腳，4、5為動(dòng)簧片引腳，1、8為常閉簧片引腳，2、7為常開簧片引腳。當(dāng)方位控制電路中方位開鎖常閉信號(hào)（24V）和方位開鎖控制信號(hào)均接通后，電磁繼電器K1的3、6引腳間線圈通電，產(chǎn)生電磁吸力，直至吸力使得兩組動(dòng)簧片分別與常閉簧片斷開，與常開簧片閉合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)；同理，當(dāng)方位控制電路中方位閉鎖常閉信號(hào)（24V）和方位閉鎖繼電器控制信號(hào)均接通后，電磁繼電器K2的3、6引腳間線圈通電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件主要功能是接收控制器發(fā)送的方位和俯仰開、閉鎖控制指令，通過控制四路繼電器的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)方位和俯仰的鎖電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制；并實(shí)時(shí)接收方位和俯仰鎖電機(jī)狀態(tài)，將到位信號(hào)回示給控制器，單片機(jī)軟件的流程圖如圖7所示。

初始化模塊完成系統(tǒng)控制寄存器設(shè)置，SCI模塊初始化；單片機(jī)完成與伺服控制器的通信，接收控制器的控制指令，并將方位和俯仰鎖狀態(tài)信息回示給控制器。

4.2 SCI通訊設(shè)計(jì)

控制器與單片機(jī)之間通過SCI異步串口進(jìn)行通信，是全雙工串行傳輸方式，SCI通信的數(shù)據(jù)格式采用 NRZ（standard non-return-zero mark/space data format）數(shù)據(jù)格式［13］，通信波特率為 9600，如圖8所示。

SCI通訊數(shù)據(jù)協(xié)議如表1所示。

表1 SCI通訊數(shù)據(jù)協(xié)議

5 結(jié)語

本文提出的艦載雷達(dá)伺服系統(tǒng)的自動(dòng)鎖控制單元從模塊化、小型化的考慮角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)方位和俯仰電機(jī)鎖全自動(dòng)化控制，避免了手動(dòng)鎖人為操作的不確定性，且加入單片機(jī)控制電路使鎖到位信號(hào)回示給單片機(jī)，在單元內(nèi)部進(jìn)行邏輯控制，提高了自適應(yīng)性，同時(shí)簡(jiǎn)化了控制器與單元之間的信號(hào)線，也降低了到位信號(hào)的處理難度，此自動(dòng)鎖控制單元已成功應(yīng)用于艦載雷達(dá)。

圖7 單片機(jī)軟件流程圖

圖8 SCI數(shù)據(jù)格式