劉 潔, 邵 楠, 陳玉寶

(中國氣象局氣象探測中心,北京 100081)

0 引言

“十三五”建設(shè)任務(wù)完成后,中國將建成由270余部天氣雷達(dá)組成的監(jiān)測網(wǎng)。隨著雷達(dá)數(shù)量增多,雷達(dá)故障總量越來越多,發(fā)射系統(tǒng)是雷達(dá)故障高發(fā)的分系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)不僅有集成電路、分立半導(dǎo)體電路,還有固態(tài)調(diào)制器和高壓電路,電路復(fù)雜,故障率高,一直是新一代天氣雷達(dá)故障維修難點(diǎn)。王志武等[1-2]介紹了電子設(shè)備規(guī)范化維修流程和FTD,楊傳風(fēng)等[3-19]從不同方面介紹了天氣雷達(dá)故障處理方法。所有上述故障維修都是基于分機(jī)和組件級(jí)故障診斷,沒有針對(duì)發(fā)射機(jī)的控制系統(tǒng),尤其是控制板的芯片級(jí)故障診斷進(jìn)行研究,控制板主要由集成電路組成,信號(hào)傳輸都是數(shù)字信號(hào),電路復(fù)雜,是發(fā)射機(jī)故障診斷的難點(diǎn)。本文針對(duì)新一代天氣雷達(dá)SA型(CINRAD/SA)雷達(dá)發(fā)射機(jī)主控板器件級(jí)故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究。根據(jù)主控板同功能電路內(nèi)芯片可以通用的特點(diǎn),通過總結(jié)發(fā)射機(jī)主控板的時(shí)序信號(hào)、故障報(bào)警信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)等信號(hào)流程,結(jié)合關(guān)鍵器件的通用性特點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)(波形、電平)測試,研究出主控板芯片級(jí)故障診斷方法,通過故障診斷驗(yàn)證了技術(shù)可行性,表明主控板芯片級(jí)故障診斷方法可快速定位故障芯片。基層雷達(dá)技術(shù)人員只要熟悉主控板信號(hào)流程,不需要借助昂貴的測試儀表。使用該方法,一方面提高了發(fā)射機(jī)故障診斷效率,保障了天氣雷達(dá)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行;另一方面降低了維修成本。

1 信號(hào)流程

控制保護(hù)板3A3A1是發(fā)射機(jī)的控制核心,而單片機(jī)及現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD則又是控制保護(hù)板的核心。發(fā)射機(jī)主控板信號(hào)包括來自接收機(jī)數(shù)字中頻的發(fā)射機(jī)時(shí)序信號(hào)、控制命令等,以及發(fā)射機(jī)經(jīng)DAU上報(bào)到RDA計(jì)算機(jī)的發(fā)射機(jī)報(bào)警信息、狀態(tài)信息等。

發(fā)射機(jī)內(nèi)部接口信號(hào)有:定時(shí)信號(hào)、故障信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)和控制信號(hào)。

發(fā)射機(jī)7路定時(shí)脈沖信號(hào),由FPGA輸出至發(fā)射機(jī)內(nèi)部各單元。

狀態(tài)信號(hào)包括:本控/遙控信號(hào)、手動(dòng)/自動(dòng)信號(hào)、燈測試信號(hào)、高壓通信號(hào)、高壓斷信號(hào)、故障復(fù)位信號(hào)和顯示復(fù)位信號(hào)。

故障信號(hào)包括:電網(wǎng)超限信號(hào)、低壓電源綜合故障信號(hào)、燈絲電壓失常信號(hào)、鈦泵電壓過低信號(hào)、磁場電壓失常信號(hào)、磁場電流失常信號(hào)、磁場風(fēng)流量故障信號(hào)、觸發(fā)器綜合故障信號(hào)、調(diào)制器過流信號(hào)、調(diào)制器反峰過流信號(hào)、調(diào)制器開關(guān)管故障信號(hào)、鈦泵過流信號(hào)、速調(diào)管風(fēng)溫過高信號(hào)、速調(diào)管風(fēng)流量故障信號(hào)、油溫過高信號(hào)、油面過低信號(hào)、機(jī)柜風(fēng)流量故障信號(hào)、機(jī)柜溫度過高信號(hào)、機(jī)柜門開關(guān)故障信號(hào)、后充電校平維修請(qǐng)求信號(hào)、調(diào)制開關(guān)維修請(qǐng)求信號(hào)、重復(fù)頻率過高信號(hào)、燈絲電流失常信號(hào)、束流過大信號(hào)、充電反饋過流信號(hào)、充電系統(tǒng)故障信號(hào)、充電過壓信號(hào)和人工線過流信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)光耦隔離后,送入主控板。

控制信號(hào)有:復(fù)位控制信號(hào)、脈寬選擇控制信號(hào)、使能控制信號(hào)。這些信號(hào),由FPGA經(jīng)光耦隔離,送至各單元。

信號(hào)流程如圖1所示。

圖1 主控板信號(hào)流程

所有分級(jí)、模塊的外部故障、狀態(tài)、指令輸入都經(jīng)過光耦隔離器后進(jìn)入FPGA,而FPGA給各個(gè)分機(jī)、模塊的指令和使能輸出也經(jīng)過反向驅(qū)動(dòng)器和光耦隔離器后送出。發(fā)射機(jī)同步信號(hào)流程見圖2,故障報(bào)警信號(hào)流程見圖3,使能控制信號(hào)流程見圖4。

圖2 發(fā)射機(jī)同步信號(hào)信號(hào)流程圖

圖3 故障報(bào)警信號(hào)流程圖

圖4 使能控制信號(hào)流程圖

2 關(guān)鍵點(diǎn)波形

關(guān)鍵點(diǎn)波形正確與否是診斷故障到芯片級(jí)器件的一個(gè)重要依據(jù),結(jié)合主控板芯片級(jí)故障診斷方法就可以快速定位故障到芯片電路。來自接收機(jī)數(shù)字中頻的發(fā)射機(jī)7路定時(shí)脈沖信號(hào)見表1。使能信號(hào)都是低電平,正常工作是通過低電平控制各組件工作;報(bào)警信號(hào)報(bào)警狀態(tài)光耦輸入為低電平信號(hào),輸出到FPGA為低電平信號(hào),雷達(dá)正常工作狀態(tài),光耦輸入為高電平信號(hào),輸出到FPGA為高電平信號(hào)。

表1 發(fā)射機(jī)7路定時(shí)脈沖信號(hào)波形

其中,接收機(jī)口板XP2的第10個(gè)端口為GND;第7個(gè)端口為保護(hù)器命令信號(hào),正脈沖信號(hào),信號(hào)幅度3.3 V,脈寬16 μs;第8個(gè)端口為保護(hù)器響應(yīng)信號(hào),正脈沖信號(hào),信號(hào)幅度2.2 V。

3 故障診斷技術(shù)與方法

發(fā)射機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)故障通常出現(xiàn)以下現(xiàn)象:無定時(shí)觸發(fā)信號(hào)輸出;無使能信號(hào)或使能信號(hào)電平輸出不正常(正常為低電平);由于器件損壞或性能參數(shù)不穩(wěn)定造成錯(cuò)誤的報(bào)警或保護(hù)性停機(jī)(如:差分接收發(fā)送芯片抗干擾差導(dǎo)致虛警、隔離光耦損壞等);脈寬、高壓通斷、準(zhǔn)加控制等出現(xiàn)故障。

控制保護(hù)系統(tǒng)故障一般有3種情況。(1)檢查控制保護(hù)系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)。若輸入信號(hào)正常,但輸出信號(hào)不正常;或者輸出使能信號(hào)不正常導(dǎo)致高壓準(zhǔn)加控制不正常。(2)若出現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出高壓控制指令(接通高壓)后,發(fā)射機(jī)不工作(人工線無高壓),報(bào)高壓軟啟動(dòng)連鎖故障,但整流組件3A2延時(shí)軟啟動(dòng)回報(bào)信號(hào)正常。(3)高壓準(zhǔn)加時(shí)間不正常,準(zhǔn)加燈一直不亮或預(yù)熱時(shí)間不到13分鐘。

在定位到主控板故障后,有兩種定位到故障芯片的方法:按照信號(hào)流程采用測量信號(hào)波形或電平高低是否正常定位故障芯片;按照信號(hào)流程采用從后級(jí)到前級(jí)更換器件方法,首先更換易損的差分接收發(fā)送芯片,再排查光耦隔離芯片,直到找出故障芯片,使主控板輸出信號(hào)正常。

對(duì)于其中一路定時(shí)觸發(fā)信號(hào)不正常的情況,按照信號(hào)流程采用示波器測量逐級(jí)測量功能模塊的輸入和輸出信號(hào),主控板輸入觸發(fā)信號(hào)為差分脈沖信號(hào),脈寬0.8 μs,幅度3.3V,經(jīng)差分輸出后變?yōu)槊}寬0.8 μs、幅度3.3 V的正脈沖信號(hào),在經(jīng)過非門輸出為脈寬0.8 μs、幅度3.3 V的負(fù)脈沖信號(hào),最后經(jīng)過光耦輸出到D1(FPGA)的信號(hào)為脈寬0.8 μs、幅度3.3 V的正脈沖信號(hào);D1(FPGA)通過和輸入相反信號(hào)處理過程,把觸發(fā)信號(hào)輸出到發(fā)射機(jī)各分機(jī)。對(duì)于每個(gè)功能模塊(集成芯片)如果輸入信號(hào)正常但輸出信號(hào)不正常,說明這個(gè)芯片故障。一般先測量數(shù)字中頻輸出的觸發(fā)信號(hào),如正常則按照差分接收、非門、光耦順序檢查輸入路徑的芯片是否有問題,如果波形都正常,則按照非門、光耦、差分發(fā)送順序檢查輸出路徑的芯片是否有問題,直至找出故障芯片。

對(duì)于由主控板故障導(dǎo)致報(bào)警虛警問題,首先測量報(bào)警光耦輸入信號(hào)是否為低電平,如為低電平說明主控板前級(jí)故障報(bào)警;如果為高電平,則測量報(bào)警光耦輸出。如果為低電平,說明光耦故障;如果輸出為高電平,則D1故障或者線路板問題。

如果不熟悉儀表測量方法,可以采用更換相同型號(hào)芯片的方法。主控板電路中差分發(fā)送接收芯片、光耦芯片等,大部分型號(hào)都是一樣的,可以進(jìn)行對(duì)換,如果對(duì)換后故障依舊,說明對(duì)換的芯片正常,可以按照信號(hào)流程繼續(xù)下一級(jí)芯片對(duì)換,直到對(duì)換后故障發(fā)生變化,說明對(duì)換的芯片故障,更換故障芯片即可。

4 典型故障

故障現(xiàn)象:發(fā)射機(jī)加高壓后無人工線電壓。故障分析診斷:發(fā)射機(jī)加高壓后,用示波器測量開關(guān)組件3A10無充電觸發(fā)脈沖信號(hào)(不是正常的脈寬0.8 μs、幅度3.3 V脈沖差分信號(hào),而是低電平信號(hào));再測量接收機(jī)接口板發(fā)射機(jī)測量端口XP2的第5個(gè)端口測量數(shù)字中頻輸出充電觸發(fā)脈沖信號(hào)正常(為脈寬0.8 μs、幅度3.3 V負(fù)脈沖信號(hào)),說明主控板問題。進(jìn)一步用示波器測量發(fā)射機(jī)主控板差分接收芯片D15輸入(1和2腳)差分信號(hào)正常(為脈寬0.8 μs、幅度3.3 V的脈沖差分信號(hào)),輸出(3腳)沒有脈寬0.8 μs、幅度3.3 V正脈沖信號(hào),而是低電平信號(hào),說明主控板充電觸發(fā)脈沖信號(hào)接收通道的差分接收芯片故障,更換D15后雷達(dá)恢復(fù)正常。

故障現(xiàn)象:發(fā)射機(jī)報(bào)警——發(fā)射機(jī)過壓。故障分析診斷:采用調(diào)壓器法,0 V狀態(tài)開高壓,仍報(bào)警,說明發(fā)射機(jī)過壓為虛警,檢查發(fā)射機(jī)開關(guān)組件3A10人工線過壓報(bào)警非門D15/6腳輸出為正常高電平(不是報(bào)警低電平狀態(tài)),更換光耦N27后故障依舊,說明是主控板問題,依據(jù)發(fā)射機(jī)報(bào)警信號(hào)流程,采用對(duì)換法,更換報(bào)警電路集成塊V9后,雷達(dá)恢復(fù)正常。

5 結(jié)束語

(1)主控板故障維修如果要達(dá)到芯片級(jí),必須熟悉線路圖中關(guān)鍵芯片的輸入、輸出信號(hào)特征,分析故障導(dǎo)致的原因,準(zhǔn)確區(qū)分是主控板故障還是主控板前級(jí)或后級(jí)故障,通過波形測試或互換器件來定位故障到芯片級(jí)。

(2)通過主控板信號(hào)流程了解故障因果關(guān)系,主控板芯片級(jí)關(guān)鍵點(diǎn)的性能參數(shù)(波形、電平等)應(yīng)輸入到對(duì)應(yīng)的測試維修數(shù)據(jù)庫中,以便維修時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)波形對(duì)比查詢,可以快速定位故障點(diǎn),提高故障診斷效率,這對(duì)國家級(jí)雷達(dá)故障診斷平臺(tái)的故障自動(dòng)診斷建模,以及故障人工智能診斷具有重要意義。