姚 雷,朱 毅,吳嘉偉,儲晨曦

(1.連云港市氣象局,連云港 222000;2.江蘇省氣象局,南京 210009;3.南通市氣象局,南通 226000;4.江蘇省氣象探測中心,南京 210009)

0 引言

截至目前,中國已建成236部由S波段和C波段新一代天氣雷達(dá)構(gòu)成的世界上規(guī)模最大的氣象雷達(dá)網(wǎng)。該氣象雷達(dá)網(wǎng)近地面1 km覆蓋范圍超220萬km2,傳輸時(shí)效從8 min縮短到50 s,業(yè)務(wù)可用性達(dá)99%。其觀測數(shù)據(jù)和產(chǎn)品為構(gòu)筑氣象防災(zāi)減災(zāi)第一道防線發(fā)揮了重要作用[1]。中國氣象局建立了國家級、省級、臺站級三級保障體系,同時(shí)建立了國家級、省級保障維修平臺[2-3]。許多氣象工作者對發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、伺服系統(tǒng)等建立了大量的測試工裝,如劉光普等[4]使用LabVIEW技術(shù),在分析雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)主要參數(shù)測試原理的基礎(chǔ)上,將雷達(dá)站現(xiàn)有的功率計(jì)、示波器等儀器作為硬件設(shè)備,通過信號中樞的控制,實(shí)現(xiàn)CINRAD雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射峰值功率、脈沖包絡(luò)等參數(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化測試;楊奇等[5]設(shè)計(jì)了一種對S波段新一代天氣雷達(dá)前級組件(包含固態(tài)放大器和脈沖形成器)維修與測試的快速診斷系統(tǒng),該診斷系統(tǒng)主要為發(fā)射機(jī)前級組件提供所需的各種電壓、控制信號、時(shí)序邏輯信號,滿足對前級組件的測試電路信號需求;邵楠等[6]通過對CINRAD/SA天氣雷達(dá)伺服系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)梳理,詳細(xì)介紹了伺服系統(tǒng)測試工裝的系統(tǒng)組成、硬件和軟件設(shè)計(jì)及如何利用測試工裝進(jìn)行伺服系統(tǒng)故障診斷與測試。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),光纖鏈路故障在雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)中的發(fā)生概率較大[7-11]?，F(xiàn)有研究中關(guān)于光纖鏈路相關(guān)測試工裝的研究相對較少。文章對CINRAD/SA雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)中光纖鏈路測試工裝系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)、測試流程進(jìn)行闡述,以期滿足對光纖鏈路相關(guān)組件測試與維修的要求。該測試工裝系統(tǒng)不僅能完成光纖鏈路自備件的測試,還可以借助測試工裝系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)組件快速故障診斷定位,縮短維修時(shí)間,提高維修效率。

1 CINRAD/SA雷達(dá)光纖鏈路系統(tǒng)組成

光纖鏈路由上、下光端機(jī)及光纜組成。上、下光端機(jī)可以實(shí)時(shí)完成天線/底座內(nèi)到雷達(dá)設(shè)備機(jī)房所有弱電信號的傳輸。上光端機(jī)包括直流穩(wěn)壓電源、上光纖板和機(jī)箱,放置在天線座內(nèi),主要負(fù)責(zé)采集天線罩溫度傳感器、天線功率監(jiān)視器、天線轉(zhuǎn)速表(方位和俯仰)輸出的4路模擬信號,將這4路模擬信號進(jìn)行12位的A/D轉(zhuǎn)換;采集塔/天線座的16個(gè)數(shù)字信號及2組天線角度信號(方位和俯仰角度),時(shí)序控制電路將這些信號通過光纜傳輸?shù)絉DA監(jiān)控機(jī)柜的下光端機(jī),同時(shí)將下光端機(jī)電路的接收機(jī)保護(hù)器命令信號傳送給接收機(jī)保護(hù)器。上光纖板主要由四路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、角碼差分輸入和輸出電路、伺服狀態(tài)信息輸入電路、工裝方位和俯仰角碼輸入電路、復(fù)雜可編輯邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)數(shù)字處理電路以及光纖收發(fā)電路組成。

下光端機(jī)接收上光端機(jī)的所有信號,將其中4路模擬信號進(jìn)行12位D/A轉(zhuǎn)換。時(shí)序控制電路將這些信號分別傳送給分布式存取單元(Distributed Access Unit,DAU)和直流配電單元(Direct Current Distribution Unit,DCU),同時(shí)將接收機(jī)保護(hù)器的輸出信號傳送給RDA計(jì)算機(jī)。下光纖板主要由四路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、角碼差分輸出電路、伺服狀態(tài)信息輸出電路、CPLD數(shù)字處理電路和光纖收發(fā)電路組成。下光纖板的信號傳輸是上光纖板的反向過程,即上、下光纖板信號遵循數(shù)據(jù)采集—A/D轉(zhuǎn)換—編碼打包—串行傳輸—串行接收—拆包—D/A轉(zhuǎn)換—數(shù)據(jù)還原過程。下光纖板安裝在雷達(dá)設(shè)備機(jī)房監(jiān)控機(jī)柜內(nèi)DAU的板卡插槽上。

2 光纖鏈路測試工裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光纖鏈路測試工裝系統(tǒng)主要功能

光纖鏈路主要負(fù)責(zé)將模擬和數(shù)字信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字變換打包后進(jìn)行串行傳輸。

模擬信號為:

1)天線功率檢測信號:0～1 W;

2)天線罩溫濕度電流信號:4 mA～20 mA;

3)方位和仰角速度信號:-39～39 V。

數(shù)字信號為:

1)15路天線座狀態(tài)信號;

2)方位和俯仰角度串行信號;

3)保護(hù)器命令和響應(yīng)信號。

光纖鏈路所傳輸?shù)哪M信號變化范圍大,要求精度高,如天線方位和俯仰轉(zhuǎn)速表輸出信號變化范圍為-39～39 V,傳輸精度小于±20 mV。這2路信號通過光纖鏈路直接傳送到天線伺服調(diào)速系統(tǒng),控制天線的轉(zhuǎn)速,因此對這2路模擬信號的穩(wěn)定性和可靠性要求較高。模擬信號大修后的SA雷達(dá)大部分已經(jīng)不再使用,如天線功率檢測模擬信號暫未使用;方位和仰角速度信號已采用直接傳輸方式;光纖僅傳輸溫濕度信號。由于溫濕度信號比較簡單,用數(shù)字萬用表測量比較簡潔,因此文章研究的測試工裝系統(tǒng)并未設(shè)計(jì)該功能。

光纖鏈路采用了較先進(jìn)的超大規(guī)模集成可編程芯片(PLD)來實(shí)現(xiàn)所有數(shù)字電路的功能,這使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠。數(shù)字信號中保護(hù)器命令和響應(yīng)信號在SA大修升級后,已經(jīng)不再經(jīng)光纖板傳輸。

針對上述上、下光纖板實(shí)現(xiàn)的模擬和數(shù)字信號傳輸,光纖鏈路測試工裝系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信號傳輸鏈的功能檢測,即檢測數(shù)字信號中方位角碼和俯仰角碼傳輸鏈路(輸入角碼數(shù)據(jù)等于輸出角碼數(shù)據(jù));天線座狀態(tài)數(shù)據(jù)鏈路即天線座輸入狀態(tài)信號等于下光纖板輸出狀態(tài)信號。

2.2 測試工裝系統(tǒng)硬件組成設(shè)計(jì)

測試工裝系統(tǒng)主要由電源電路、角碼輸入電路、角碼輸出電路、伺服狀態(tài)信息輸入與輸出電路、控制電路和通信接口組成(圖1)。

圖1 測試工裝系統(tǒng)組成原理

2.2.1 電源電路

工裝系統(tǒng)要同時(shí)為上光纖板、下光纖板、工裝板供電。上、下光纖板主要使用5,15和-15 V電壓,工裝板采用5 V電壓,工裝系統(tǒng)采用65 W一體化電源可提供上述3組電壓。

2.2.2 角碼輸入電路

角碼輸入電路主要是模擬光電編碼盤和軸角盒輸出的數(shù)據(jù)。單片機(jī)接收串口發(fā)來的角碼數(shù)據(jù)通過74LS245送至并變串電路(74LS165),該電路為軸角盒編碼電路上光纖板提供時(shí)鐘信號和加載信號。電路采用并入串出方式,將方位和俯仰解碼數(shù)據(jù)串入上光纖板電路。每16個(gè)時(shí)鐘,角碼信息完成一次加載并更新。加載更新的頻率為9.676 kHz,即上光纖板每103.3 μs更新1次方位和仰角數(shù)據(jù)。

2.2.3 方位和俯仰角碼輸出電路

工裝板定時(shí)輸出16位時(shí)鐘信號,下光纖板串出方位和俯仰角碼信息。角碼輸出電路采用兩路74LS164進(jìn)行串行連接。每16個(gè)時(shí)鐘后,將角碼信息鎖存數(shù)據(jù),并顯示在LED指示電路中。角碼輸出電路實(shí)際上為串聯(lián)變并聯(lián)輸出電路。下光纖板與雷達(dá)伺服數(shù)字控制單元5A6 工作時(shí),實(shí)際更新角碼時(shí)間為45 ms。因此下光纖板讀取角碼的時(shí)間和上光纖讀取軸角盒角度不是同步的,工裝系統(tǒng)中讀取時(shí)間自由。

2.2.4 伺服狀態(tài)信息輸入與輸出電路

伺服狀態(tài)信息主要有15位報(bào)警信息,分別是俯仰預(yù)正限位、負(fù)限位,俯仰終正限位、負(fù)限位,方位齒輪箱油位,方位池油位,方位電機(jī)過溫,方位手輪,方位停止銷,俯仰減速箱油位,俯仰停止銷,俯仰電機(jī)過溫,俯仰手輪,天線罩門開關(guān)的航警燈報(bào)警。

伺服狀態(tài)信息輸入電路主要將以上15位報(bào)警信息并聯(lián)在一起,通過繼電器進(jìn)行高低電平轉(zhuǎn)換,模擬伺服狀態(tài)信息正常與報(bào)警狀態(tài),輸出電路通過74LS244緩沖電路送至單片機(jī)輸入端口進(jìn)行狀態(tài)檢測。繼電器由上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制,當(dāng)進(jìn)行報(bào)警測試時(shí)(全1),繼電器吸合,檢測輸出狀態(tài)信息是否為全1;當(dāng)進(jìn)行正常測試時(shí)(全0),檢測輸出狀態(tài)(X0～X14)是否是全0。由于伺服各狀態(tài)信息位一端都是通過5.1 kΩ電阻接至5 V電源,因此電路為開路時(shí),輸入狀態(tài)均為高電平,繼電器吸合時(shí)拉至0 V。

2.2.5 控制電路與通信接口

工裝系統(tǒng)采用普通8位單片機(jī)PIC16F877A進(jìn)行控制,單片機(jī)時(shí)鐘采用11.0952 MHz,由于該單片機(jī)I/O數(shù)量不能滿足工裝系統(tǒng)使用需求,大多數(shù)I/O口都采用74LS244實(shí)現(xiàn)復(fù)用選擇功能,以滿足對輸入、輸出的控制。同時(shí)工裝板采用1.2 MHz有源晶振產(chǎn)生,為上、下光纖板提供同步時(shí)鐘。通信接口采用RS-232方式進(jìn)行,采用MAX202進(jìn)行上位機(jī)數(shù)據(jù)的通信。

3 測試工裝系統(tǒng)測試流程設(shè)計(jì)與判定

3.1 測試工裝系統(tǒng)角碼程序流程

光纖鏈路所傳輸?shù)男盘柊ㄌ炀€的方位和俯仰軸角編碼器信號,是串行的二進(jìn)制數(shù)。伺服系統(tǒng)每45 ms向下光端機(jī)提取1次軸角編碼器數(shù)據(jù),取數(shù)時(shí)間對于下光端機(jī)是隨機(jī)的。有時(shí)會發(fā)生存、取數(shù)據(jù)競爭問題。為此在下光端機(jī)電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)互鎖電路,當(dāng)伺服系統(tǒng)取數(shù)時(shí),禁止存數(shù)。由此保證每次所取的數(shù)據(jù)是正確的。

程序首先對使用端口進(jìn)行輸入輸出初始化,對通信端口進(jìn)行初始化配置,將16位角碼并行數(shù)據(jù)設(shè)為輸出端口,配置串行通信采用9600波特率,1停止位、無校驗(yàn)位。測試工裝首先并行輸出16位方位數(shù)據(jù)和角碼數(shù)據(jù)至74LS165電路;工裝板模擬16位時(shí)鐘,當(dāng)16位時(shí)鐘產(chǎn)生完畢,讀出方位和角碼信息數(shù)據(jù),并與先前并行輸出數(shù)據(jù)相比較,當(dāng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí),錯(cuò)誤指示燈點(diǎn)亮,反之熄滅。處理完方位和角碼數(shù)據(jù)后,工裝碼讀取15位狀態(tài)報(bào)警信息,并將每位狀態(tài)信息以LED燈指示。

以下是角碼輸出電路中單片機(jī)模擬16位串形時(shí)鐘的程序。16位串形時(shí)鐘采用高低電平加空閑指令(NOP)模擬形成,模擬完成后讀出串聯(lián)變并聯(lián)后的數(shù)據(jù)。

for(countno=0;countno<16;countno++) //16次數(shù)據(jù)循環(huán),完成16位串行時(shí)鐘

{ RC1=0;//時(shí)鐘位,先清0,低電平

asm("NOP");//延時(shí)

asm("NOP");

asm("NOP");

asm("NOP");

asm("NOP");

RC1=1;//時(shí)鐘位,產(chǎn)生高電平,形成一位脈沖信號。}

RA0=1;//關(guān)閉244輸入

TRISD=0xff;//串形數(shù)據(jù)并入返回D0-7 方向輸入

TRISB=0xff;//串形數(shù)據(jù)并入返回D8-15 方向輸入

RA1=0;//打開244輸出

returndata0l=PORTD;

axisvalue.adres[0]=returndata0l;

returndata0h=PORTB;

RA0=0;//打開244輸入,讓保持輸入時(shí)間更長,便于打入數(shù)據(jù)

axisvalue.adres[1]=returndata0h;

中斷子程序主要處理來自串口的通信數(shù)據(jù),解析輸入的解碼數(shù)據(jù),并輸出下光纖板輸出的解碼數(shù)據(jù)和伺服狀態(tài)信息。

3.2 測試工裝系統(tǒng)測試判定

3.2.1 角碼數(shù)據(jù)正誤判定

角碼數(shù)據(jù)測試是通過上位計(jì)算機(jī)的串口助手進(jìn)行的,即串口助手發(fā)送角碼數(shù)據(jù),經(jīng)工裝送至上光纖板后經(jīng)光纖和下光纖板輸出至工裝后返回判斷,當(dāng)數(shù)據(jù)一致時(shí)即可判定角碼數(shù)據(jù)鏈路正常。

3.2.2 伺服狀態(tài)信息位判定

工裝檢測繼電器不吸合時(shí)的狀態(tài)(全1),返回伺服狀態(tài)信息數(shù)據(jù)應(yīng)全為1;上位計(jì)算機(jī)發(fā)送吸合指令時(shí)(全0),工裝測試信息位應(yīng)全為0。當(dāng)上述2種狀態(tài)正常時(shí),則上、下光纖板伺服狀態(tài)信息位正常。反之當(dāng)有1位不正常時(shí),則應(yīng)該對上、下光纖板進(jìn)行電路排查。

3.2.3 模擬值正誤判定

模擬值主要傳輸天線罩的溫濕度信號(電機(jī)速度信號在交流系統(tǒng)中已取消在光纖板傳輸),工裝系統(tǒng)中并未對模擬信號進(jìn)行檢測,實(shí)際工作中需在上光纖板溫濕度輸入端引入1個(gè)電壓,用數(shù)字萬用表測量下光纖板輸出是否一致即可。

4 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了天氣雷達(dá)光纖鏈路測試工裝系統(tǒng),并對其原理及測試流程等進(jìn)行闡述,得出以下結(jié)論:

1)CINRAD/SA天氣雷達(dá)光纖鏈路測試工裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對雷達(dá)光纖鏈路及其相關(guān)組件的離線測試。實(shí)際測試過程中,系統(tǒng)可以快速定位故障并排除,提高了維護(hù)時(shí)效,有效節(jié)約了維護(hù)成本。

2)測試工裝系統(tǒng)可以通過配合測試平臺軟件實(shí)現(xiàn)儀表的數(shù)據(jù)采集,可對光纖鏈路完成自動(dòng)化測試與維修。建立光纖鏈路組件的離線維修與測試的硬件環(huán)境,為故障的判斷與維修提供了便利,可提升雷達(dá)機(jī)務(wù)員保障能力。

3)后續(xù)可以繼續(xù)實(shí)施維修測試平臺軟件技術(shù)升級,擴(kuò)展測試工裝的通信控制等功能,相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可推廣應(yīng)用到其他氣象雷達(dá)伺服系統(tǒng)故障診斷和維修中,成為天氣雷達(dá)省級維修測試平臺的重要組成部分。