(中國(guó)人民解放軍 61191部隊(duì)，杭州 310023)

0 引言

大型預(yù)警相控陣?yán)走_(dá)是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)，是各大國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的戰(zhàn)略力量。而大型相控陣?yán)走_(dá)分系統(tǒng)多、設(shè)備量大、運(yùn)維難度高，也給一線裝備保障人員提出了很高的要求。大型相控陣?yán)走_(dá)中的各分系統(tǒng)為保證正常工作通常需要配備多種型號(hào)電源，在實(shí)際工作中因電源種類繁多、數(shù)量龐大、測(cè)試?yán)щy、不易拆裝、返廠維修周期長(zhǎng)[1]，且故障定位比較困難，給裝備維修工作帶來(lái)諸多不便，不利于雷達(dá)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的充分發(fā)揮。因此能夠快速對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行故障定位，完成對(duì)故障電源的自主維修顯得尤為重要，是裝備保障工作的一個(gè)重要工作。

大型相控陣?yán)走_(dá)為保證較大的探測(cè)距離和較高的探測(cè)精度，發(fā)射功率是一個(gè)重要性能指標(biāo)，其發(fā)射峰值功率可達(dá)兆瓦級(jí)，配備的T/R組件數(shù)量少則上千，多則上萬(wàn)，為T(mén)/R組件中功率放大器提供能量的電源數(shù)量同樣龐大。各分系統(tǒng)中為譯碼器、移相器、低噪聲放大器、各種傳感器和刀片式插箱供電而配備的電源也有多種型號(hào)。雷達(dá)中用到的航空電纜插頭均輸出多種電壓，且此航空插頭管腳多且密集，測(cè)試難度大，測(cè)試操作中存在一定危險(xiǎn)性。

本文采用“FPGA+ARM”的硬件架構(gòu)作為通信控制中樞，與自主研發(fā)的A/D數(shù)據(jù)采集板和通用化ePC-K70-Lite-L一體化模組配合完成某型雷達(dá)多種電源的測(cè)試工作，構(gòu)建了一套手持便攜式電源診斷維修系統(tǒng)[2]。實(shí)際使用中，可對(duì)某型雷達(dá)3大類13種電源實(shí)現(xiàn)在線控制、參數(shù)讀取和賦值，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)一個(gè)航空插頭內(nèi)最多8組電源參數(shù)的檢測(cè)，測(cè)試時(shí)間由原來(lái)的5分鐘縮短到10秒內(nèi)，電源參數(shù)檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)99%以上，依靠其自身供電連續(xù)工作達(dá)5小時(shí)以上，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電源進(jìn)行快速故障診斷[3]、定位和維修的目標(biāo)，提高了自主維修能力和維修效率，縮短了電源類故障的修復(fù)時(shí)間。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

該便攜式電源檢測(cè)維修系統(tǒng)主要由FPGA核心板、電源測(cè)試采集板、ePC-K70-Lite-L一體化模組、電池及配套測(cè)試連接電纜組成，除測(cè)試連接電纜外其它設(shè)備均安裝在同一個(gè)小型機(jī)箱(30 cm×20 cm×8 cm)內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。豐富的硬件資源結(jié)合靈活的數(shù)據(jù)分析及故障診斷軟件，在人機(jī)交互界面的調(diào)度下，充分利用剪裁式操作系統(tǒng)的低功耗、穩(wěn)定性和靈活性。

圖1 便攜式電源測(cè)試儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

該電源檢測(cè)維修系統(tǒng)通過(guò)ePC-K70-Lite-L一體化模組內(nèi)運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析處理及故障診斷軟件的人機(jī)交互界面啟動(dòng)電源測(cè)試任務(wù)，一體化模組通過(guò)RS-485總線發(fā)送采集控制指令到FPGA核心板。首先，設(shè)置FPGA核心板數(shù)據(jù)采集模塊工作狀態(tài)，采用專用測(cè)試電纜將多組被測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸至機(jī)箱，完成采集和量化后，經(jīng)SPI總線[4]從電源參數(shù)采集與A/D轉(zhuǎn)換模塊獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，送FPGA核心板內(nèi)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，最后再傳輸?shù)絜PC-K70-Lite-L一體化模組內(nèi)的數(shù)據(jù)分析及故障診斷軟件完成可監(jiān)測(cè)組合電源的參數(shù)讀取、診斷、修改和故障定位維修。

因大型雷達(dá)電源數(shù)量龐大，通常會(huì)在電源內(nèi)部設(shè)置地址碼，以方便對(duì)其位置進(jìn)行索引。而在實(shí)際使用過(guò)程中，由于器件損壞、備件更換等原因，導(dǎo)致新安裝的電源內(nèi)地址碼與實(shí)際位置不符，需要及時(shí)進(jìn)行修改，避免因地址碼錯(cuò)誤造成裝備電源檢測(cè)故障。另外，可監(jiān)控電源內(nèi)各參數(shù)根據(jù)比例偏移函數(shù)(K、B值)會(huì)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正以顯示真值，由于出廠設(shè)定或受惡劣電磁環(huán)境影響，會(huì)造成檢測(cè)到的值與真值不符，造成電源故障檢測(cè)的誤判。在人機(jī)交互界面設(shè)置正確的地址碼和合適的K、B值，通過(guò)RS-485通信總線可在線實(shí)現(xiàn)地址碼和K、B值的讀取和重新賦值，提高了電源監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，有效提升維修效率，降低維修復(fù)雜度，可滿足電源測(cè)試通用性、靈活性、即插即用的要求。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要功能模塊全部放置在一個(gè)小型機(jī)箱內(nèi)，采用4塊2 000 mAh的可充電鋰電池(型號(hào)：68750)供電，續(xù)航能力大于5小時(shí)，可滿足日常檢修需求。

2.1 基于FPGA的自適應(yīng)數(shù)字濾波核心板設(shè)計(jì)

某型雷達(dá)天線樓內(nèi)電磁環(huán)境惡劣，對(duì)電源參數(shù)采集有一定影響，特別是對(duì)低紋波電源數(shù)據(jù)采集影響較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致性能已經(jīng)有所下降的電源不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，形成誤判，造成潛在故障隱患。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)監(jiān)測(cè)和分析可知，主要干擾源為雷達(dá)工作頻段的副瓣信號(hào)和10 kHz的PWM(pulse width modulation)信號(hào)，如圖2所示。

圖2 10 kHz的PWM干擾信號(hào)

為去除干擾對(duì)電源測(cè)試的影響，常用的軟件濾波算法對(duì)PWM信號(hào)類型和周期性脈沖類型的干擾處理效果不佳，而數(shù)字濾波算法具備較高的精度和穩(wěn)定性，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景更改系統(tǒng)函數(shù)，靈活性高，在FPGA中容易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)選擇合適的FIR濾波器系統(tǒng)函數(shù)，可有針對(duì)性地過(guò)濾上述特定干擾信號(hào)，具有較好的濾波效果，滿足在復(fù)雜電磁環(huán)境下電源參數(shù)精密測(cè)量的需要。利用MATLAB工具箱編寫(xiě)濾波器函數(shù)，生成了由恒定電平、10 kHz的PWM信號(hào)、脈沖(100 Hz的占空比為2%的脈沖信號(hào))調(diào)制的中心頻率為雷達(dá)工作頻點(diǎn)的線性調(diào)頻信號(hào)的混合信號(hào)，如圖3所示。

圖3 模擬混合測(cè)試信號(hào)

為獲得最佳濾波器性能，通過(guò)對(duì)比觀察輸入輸出頻譜，綜合考慮處理速度和效果，最終確定濾波器級(jí)數(shù)為18，截止頻率為200Hz。濾波效果如圖4所示。

圖4 濾波效果

FPGA核心板選用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片作為核心芯片[5]，其具有可配置FIR濾波器的IP核。選擇使用矩形窗函數(shù)的FIR Compiler V13.0的IP核[6]，根據(jù)仿真結(jié)果，完成濾波器參數(shù)配置，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，其信號(hào)處理流程邏輯框圖如圖5。

圖5 FPGA核心板設(shè)計(jì)邏輯框圖

當(dāng)便攜式電源檢測(cè)維修系統(tǒng)工作時(shí)，由一個(gè)20 MHz的高穩(wěn)晶振為FPGA提供工作時(shí)鐘[7]，時(shí)鐘分配模塊采用FPGA芯片提供的時(shí)鐘分配解決方案，利用其內(nèi)部鎖相環(huán)為各功能模塊配置時(shí)鐘。FPGA核心控制板通過(guò)RS-485總線與ePC-K70-Lite-L一體化模組進(jìn)行交互，一體化模組向FPGA核心板下發(fā)被測(cè)電源標(biāo)準(zhǔn)配置參數(shù)，經(jīng)FPGA譯碼后配置內(nèi)部資源，選通所需測(cè)試電源對(duì)應(yīng)的接口，而后開(kāi)始進(jìn)行電源數(shù)據(jù)采集。將采集到的并行數(shù)據(jù)存入輸入緩沖，在系統(tǒng)時(shí)鐘調(diào)度下完成串并轉(zhuǎn)換，在FIR濾波器IP核中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的濾波處理后，最后將分析處理完的數(shù)據(jù)傳至輸出緩沖，并最終傳送至數(shù)據(jù)分析處理及故障診斷軟件進(jìn)行數(shù)值分析和故障診斷定位。

2.2 電源參數(shù)采集及A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)方案

電源參數(shù)采集及轉(zhuǎn)換電路主要完成多種類電源參數(shù)的采集與轉(zhuǎn)換功能[8]，其采集的速度及精度直接影響到整個(gè)測(cè)試設(shè)備的工作效率和性能。為了能夠使后端A/D轉(zhuǎn)換電路得到穩(wěn)定增益，選取Ad8664芯片，它采用ADI公司的DigiTRim[9]調(diào)整技術(shù)，四路軌到軌輸出、單電源放大器，具有低輸入偏置電流、低噪聲、低失調(diào)和寬帶寬等特性組合優(yōu)勢(shì)。其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

圖6 電壓信號(hào)采集及轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)框圖

某型雷達(dá)電源維修中，在一個(gè)航空插頭內(nèi)最多需對(duì)8組電源進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，故A/D轉(zhuǎn)換電路選用MXA1270芯片，MXA1270是8通道、多量程雙極性輸入、串行輸出、逐次逼近型12位A/D轉(zhuǎn)換器，最高采樣率為110 ks/s。在單+5 V電源供電下，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)多種不同量程，滿足電源制式和測(cè)試精度的需求。FPGA核心板通過(guò)SPI總線完成對(duì)ADC的配置，12位測(cè)試量化數(shù)據(jù)的讀取并傳送至數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行后續(xù)處理分析。

3 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境部署和軟件設(shè)計(jì)方案

為保證設(shè)備的便攜性及長(zhǎng)續(xù)航特性，系統(tǒng)各子模塊需盡量降低功耗，使系統(tǒng)能夠在有限電量條件下獲得最大續(xù)航，同時(shí)保證操作的便捷性，一體化模組需提供不小于800*600分辨率顯示，并保證觸摸輸入及良好的用戶交互體驗(yàn)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，運(yùn)行了根據(jù)需要裁減與移植的Linux系統(tǒng)后，配備基于ARM9的低功耗三星S3C2410芯片核心板的一體化模組的功耗可控制在1.5 W以內(nèi)，符合系統(tǒng)低功耗的要求。因S3C2410芯片主頻僅為400 MHz，為保證用戶體驗(yàn)，操作系統(tǒng)摒棄了GTK圖形環(huán)境，選用了基于直接幀緩沖的Qt/embedded作為圖形接口。其應(yīng)用程序可以直接寫(xiě)入內(nèi)核幀緩沖區(qū)，通過(guò)Qt/embedded開(kāi)發(fā)的交互軟件在占用很少系統(tǒng)資源的前提下，完成了在S3C2410上的移植與部署[10]，實(shí)現(xiàn)了較完善的人機(jī)交互環(huán)境。

3.1 基于ARM的嵌入式Linux系統(tǒng)裁減與配置

一體化模組內(nèi)運(yùn)行的系統(tǒng)移植基于arm-linux-gcc-4.3.2編譯環(huán)境主要分為兩個(gè)部分。

1)BootLoader的移植：

ARM處理器啟動(dòng)主要過(guò)程主要分為Stage1和Stage2兩個(gè)階段，如圖7所示。

圖7 ARM啟動(dòng)過(guò)程

S3C2410處理器針對(duì)Linux可配套使用的BootLoader主要為vivi及其各個(gè)功能增強(qiáng)版。為測(cè)試任務(wù)部署和方便后期開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)選擇了具備外接SD卡自動(dòng)升級(jí)功能的vivi版本，根據(jù)核心板引接跳線情況，設(shè)置了根據(jù)跳線連接狀態(tài)自動(dòng)升級(jí)系統(tǒng)的選項(xiàng)，經(jīng)過(guò)編譯后使用JTAG線纜燒錄到了核心板中。

2)Linux的移植：

Linux移植主要包括內(nèi)核版本的確定，內(nèi)核編譯環(huán)境的搭建，內(nèi)核與驅(qū)動(dòng)的裁剪，Ram Disk的制作，下載測(cè)試等幾個(gè)階段。

(1)確定內(nèi)核版本。由S3C2410處理器決定了選用內(nèi)核的最高版本為2.6.X，根據(jù)官方手冊(cè)及Linux內(nèi)核手冊(cè)建議，選擇了適配性最佳的2.4.24版本。

(2)搭建內(nèi)核編譯環(huán)境。移植前需要在宿主機(jī)上建立ARM的交叉編譯環(huán)境，宿主機(jī)選用了Ubuntu_10.04_LTS版本，主要用到的開(kāi)發(fā)工具包括3個(gè)部分：binutils、gcc、glibc。其中，binutils是二進(jìn)制文件的處理工具；gcc是編譯工具；glibc是鏈接和運(yùn)行庫(kù)。所有需要用到的工具均使用處理器手冊(cè)建議官方二進(jìn)制版本：binutils-2.11.2，gcc-2.95.3和glibc-2.2.3[11]。

(3)裁剪內(nèi)核與驅(qū)動(dòng)。Linux內(nèi)核是一個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)，其任何功能都可以選擇靜態(tài)加載、動(dòng)態(tài)加載或不加載的方式，進(jìn)而來(lái)控制內(nèi)核大小以適應(yīng)不同系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。在S3C2410核心板中由于硬件環(huán)境已經(jīng)確定，且系統(tǒng)資源有限，使用了menuconfig工具對(duì)內(nèi)核進(jìn)行深度裁剪與定制。

(4)制作Ram Disk。Ram Disk實(shí)際上是把系統(tǒng)內(nèi)存劃出一部分當(dāng)作存儲(chǔ)器使用。對(duì)于操作系統(tǒng)來(lái)講內(nèi)存的存取速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Flash，所以嵌入式系統(tǒng)中根據(jù)實(shí)際情況需要把常用應(yīng)用程序都安裝在Ram Disk的驅(qū)動(dòng)器中，然后用內(nèi)存的速度運(yùn)行它。

ARM Linux采用Ram Disk的方式來(lái)裝載根文件系統(tǒng)，所有在運(yùn)行內(nèi)核之前，需要先制作Ram Disk，將必須的文件和設(shè)備加入到Ram Disk中，當(dāng)內(nèi)核啟動(dòng)后，會(huì)從指定地址去讀取根文件系統(tǒng)。

(5)下載測(cè)試。將制作完成的內(nèi)核和Ram Disk文件存入SD卡通過(guò)BootLoader的自動(dòng)升級(jí)功能下載到核心板即可運(yùn)行。

3.2 數(shù)據(jù)分析處理及故障診斷軟件

數(shù)據(jù)分析處理及故障診斷軟件基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，使用C++語(yǔ)言在跨平臺(tái)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境QT Creator上完成設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。使該軟件具有良好的跨平臺(tái)工作能力和人機(jī)交互界面，可方便的進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)查詢和關(guān)鍵參數(shù)燒錄，并且占用極少的系統(tǒng)硬件資源[12]，保證了主體測(cè)試任務(wù)的順暢開(kāi)展，軟件主要界面截圖如圖8所示。

圖8 軟件界面截圖展示

數(shù)據(jù)分析處理及故障診斷軟件按功能劃分主要由電源檢測(cè)分系統(tǒng)和參數(shù)燒錄分系統(tǒng)組成。其中電源監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)主要包含測(cè)試任務(wù)規(guī)劃模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。參數(shù)燒錄分系統(tǒng)主要包含地址測(cè)試模塊、KB值測(cè)試模塊、保護(hù)點(diǎn)測(cè)試模塊。最終由綜合故障診斷模塊結(jié)合集成的維修經(jīng)驗(yàn)對(duì)被測(cè)電源的故障診斷結(jié)果。該軟件設(shè)計(jì)框圖如圖9所示。

圖9 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

雷達(dá)接收系統(tǒng)中，需要低噪聲放大器放大微弱的目標(biāo)反射回波信號(hào)以提升信噪比，進(jìn)而完成后續(xù)的處理。而為低噪放提供低紋波4.6 V直流電源的質(zhì)量將直接影響雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)的性能。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試可知，本系統(tǒng)對(duì)低紋波電源的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比直接測(cè)試可獲得較高的準(zhǔn)確度。

如圖10所示為對(duì)正常的低紋波4.6 V直流電源在沒(méi)有濾波處理和有濾波處理下，連續(xù)采集200組數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比曲線。由圖10可知，經(jīng)過(guò)濾波處理的采集電源數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確反映電源的工況，不會(huì)產(chǎn)生野值，為電源狀態(tài)分析和故障定位提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

圖10 低紋波4.6 V電源在有濾波與無(wú)濾波下結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的某型雷達(dá)便攜式電源檢測(cè)維修系統(tǒng)將電源參數(shù)測(cè)試硬件電路與基于ARM的嵌入式Linux操作系統(tǒng)相結(jié)合，綜合了某型雷達(dá)多種電源的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)和故障判別方法，通過(guò)良好的人機(jī)交互軟件，完成了多種電源的現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量、故障診斷定位和參數(shù)在線修改燒錄，解決了裝備現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)維修不便的難題，提高了裝備的自主維護(hù)維修能力和維修效率，該系統(tǒng)至今已在某大型地基相控陣?yán)走_(dá)裝備陣地得到應(yīng)用。系統(tǒng)在使用過(guò)程中，設(shè)備軟件運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，縮短了維修時(shí)間，提高了維修效率，達(dá)到了預(yù)期效益，對(duì)同類大型雷達(dá)裝備的電源類器件的測(cè)試和維修工作提供了重要的經(jīng)驗(yàn)借鑒和方式方法。