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隨著(zhù)雷達技術(shù)的不斷進(jìn)步，具有顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)的相控陣雷達成為現代雷達的主流技術(shù)。由于相控陣雷達設備量越來(lái)越大，機內測試控制系統的研制開(kāi)發(fā)越來(lái)越被重視。而雷達供電電源系統作為雷達上各分系統的動(dòng)力核心，對雷達各分系統的可靠工作起著(zhù)至關(guān)重要的作用。供電電源狀態(tài)的好壞與用電設備的工作狀態(tài)息息相關(guān)。當一個(gè)復雜的雷達系統出現故障時(shí)，總體希望從電源監控系統巾獲得的信息充分可靠，該信息即可以判定電源系統工作狀態(tài)，也能夠洞察用電設備的工作狀態(tài)是否正常。因此，對電源系統的監控管理勢在必行。采用先進(jìn)的電源監控技術(shù)可以對電源系統的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控、數字信息交換、故障記錄顯示等。這樣，可以提高系統的技術(shù)性能，降低操作人員和維護人員的技能要求，提高系統的可靠性，減少系統故障的平均維修時(shí)間，對設備量大的機載相控陣雷達顯得更為重要。 本文介紹一種基于嵌入式單片機的串行內總線(xiàn)電源監控系統，作為一個(gè)分機節點(diǎn)，可以很方便地加入到雷達機內測試控制系統的總線(xiàn)中，有效地實(shí)現對電源系統的控制和監測。 1 電源監控系統的硬件組成 機載雷達電源監控系統由一臺電源監控主機和8臺電源監控分機組成，與其他分系統掛接在機內測試控制系統的總線(xiàn)上。 電源監控系統和機內測試控制系統以及其他分系統之間的連接關(guān)系。其中M0為機內測試控制系統的主處理機，通過(guò)RS-422串行總線(xiàn)的接口方式，與電源監控系統和其他分系統進(jìn)行數據的傳輸。其中電源監控主機一方面與機內測試控制系統的主處理機M0進(jìn)行通信，接收M0發(fā)來(lái)的各種控制命令，轉發(fā)給各個(gè)電源監控分機；另一方面，將各個(gè)電源監控分機采集來(lái)的各個(gè)電源的工作狀態(tài)數據處理后傳送給主處理機M0。電源監控主機和監控分機之間的接口同樣采用RS-422串行總線(xiàn)方式。 1.1 電源監控主機的硬件設計 電源監控主機既要與上位機M0通信，又要與8臺電源監控分機進(jìn)行通信。這就要求電源監控主機至少能夠提供2個(gè)串行通信口。大部分MSC-51系列的單片機只有1個(gè)串行口，必須對其進(jìn)行擴充，有幾種方案可以選擇： a) 方案1：采用2片單片機M1和M2，各自有一個(gè)串行口，M1的串行口與上位機M0通信，M2的串行口與各個(gè)電源監控分機通信，M1與M2之間采用并行口傳送數據。 b) 方案2：同方案1，只是M1與M2之間采用雙幾RAM來(lái)交換數據。 c) 方案3：選取具有2個(gè)獨立串行口的CPU，一個(gè)與上位機M0通信，另一個(gè)與8個(gè)下位機通信，在CPU內部RAM完成數據交換。 分別對這3個(gè)方案做了試驗并進(jìn)行比較。方案1成本低，但軟件較復雜，中斷多，易發(fā)生沖突，數據有丟失現象；方案2數據通信可靠性好，但是軟硬件設計都比較復雜；方案3軟硬件設計簡(jiǎn)單，數據交換可靠性高，但是成本略高。 綜合各方面因素，本文采用方案3。電源監控主機采用Cygnal公司的C8051F021單片機作為主控CPU，它是Cygnal公司開(kāi)發(fā)的全集成混合信號在片系統單片機系列中功能比較齊全的一款。SOC(在片系統)是一個(gè)全新的概念，是隨著(zhù)半導體技術(shù)的不斷發(fā)展、集成度越來(lái)越高、對嵌入式控制技術(shù)的可靠性要求越來(lái)越高而產(chǎn)生的。 C8051F021片內資源包括：32個(gè)通用數字I／O端口、64kB的Flash存儲器、4352B的RAM、8通道12位和8通道10位的A／D轉換器、2個(gè)12位D／A轉換器、2個(gè)模擬量比較器、5個(gè)通用定時(shí)器和PCA(可編程計數器陣列)。另外，還具有外部數據存儲器接口、SMBus／I2C總線(xiàn)、SPI總線(xiàn)、2路UART總線(xiàn)、片內電源監視、片內溫度監視、片內看門(mén)狗定時(shí)器和片內時(shí)鐘源等。以上數字資源接口都可根據設計需要進(jìn)行選擇，然后利用片內交叉開(kāi)關(guān)分配到相應的I／O端口，未使用的資源將不占用通用I／O端口，這種方法既有利于資源的靈活配置，又有利于資源的充分利用，使芯片的通用性獲得極大的提高。 在強大而豐富的片內資源的支持下，C8051F021還具有以下主要特點(diǎn)： a) 高速的與MCS-51指令系統完全兼容的微控制器內核CIP-51，采用流水線(xiàn)結構，其70％的指令在1～2個(gè)系統時(shí)鐘周期內完成，在25 MHz內部時(shí)鐘下，指令最快執行速度可高達25 MIPS(百萬(wàn)條指令每秒)。 b) 大容量的Flash存儲器，可實(shí)現在線(xiàn)編程和用于非易失性數據的存儲，存儲器可按512 B為一扇區編程，且不需特殊的片外編程電壓。 c) 片內的JTAG仿真電路提供全速、非侵占式(即不使用在片資源)的電路仿真，可以很方便實(shí)現斷點(diǎn)、單步觀(guān)察點(diǎn)、運行和停止等調試命令，且支持存儲器和寄存器的在線(xiàn)校驗和修改，開(kāi)發(fā)效率大大提高。 d) 內部有2個(gè)全雙工的異步串行口UART0和UART1，它們除了具有標準串行口的功能外，還具有幀錯誤監測和地址識別硬件，還有一個(gè)完全符合系統管理總線(xiàn)標準的串行接口SMBus和一個(gè)SPI(串行外設接口)，這些串行總線(xiàn)都完全由硬件實(shí)現且都可以產(chǎn)生中斷，不共享定時(shí)器、中斷或I／O端口，因此可以同時(shí)使用所有的串行口。 本系統中的電源監控主機充分利用了C8051F021內部的各種資源，特別是利用它的2個(gè)異步串行口可以很方便地完成與上位機(主處理機M0)的數據交換和與監測各個(gè)電源的8臺電源監控分機的數據交換。其硬件電路設計比較簡(jiǎn)單，結構圖略。 1.2 電源監控分機的硬件設計 本系統中有8臺監控分機，分別集成在8臺電源機箱中，通過(guò)RS-422串行總線(xiàn)方式與監控主機接口。每臺監控分機主要完成對各自電源工作狀態(tài)的監測，記錄包括開(kāi)／關(guān)機狀態(tài)、輸入過(guò)壓／欠壓、輸出過(guò)壓／欠壓、輸入過(guò)流、過(guò)溫、輸入缺相等狀態(tài)。監控分機定時(shí)采集這些狀態(tài)值并保存在RAM中，當監控主機接收到主處理機M0發(fā)來(lái)的查詢(xún)命令后，通過(guò)與監控分機進(jìn)行多機通信，將各個(gè)電源分機的狀態(tài)值上傳給M0，由M0進(jìn)行分析處理�？紤]到器件的環(huán)境適應性，電源監控分機的CPU采用Intel公司的MCS-51系列單片機中的MD8751芯片，其內含4 kB EPROM，無(wú)需進(jìn)行片外擴展。 2 多機通信過(guò)程 本系統中，電源監控主機與8臺電源監控分機通過(guò)RS-422，串行總線(xiàn)接口進(jìn)行多機通信。電源監控分機的CPU中包含1個(gè)標準的異步傳輸串行口(UART)，而電源監控主機的CPU是包含2個(gè)功能完全相同的UART，它們除了具有8051標準串行口的功能外，還具有幀錯誤檢測和地址識別硬件，稱(chēng)為增強型UART。為了提高監控主機與監控分機串行口之間的兼容性，設置監控主機CPU的UART工作在標準型。監控主機和監控分機的UART接口分別通過(guò)一對RS-422的差分發(fā)送器DS26LS31和差分接收器DS26LS32進(jìn)行數據的傳輸。通信過(guò)程中監控主機的發(fā)送門(mén)和接收門(mén)始終打開(kāi)，而監控分機的接收門(mén)始終打開(kāi)，而發(fā)送門(mén)由某指定信號控制。 在MCS-51系列單片機中，串行口工作在方式2或方式3，通過(guò)使用第9數據位可以支持一臺主處理器與1個(gè)或多個(gè)從處理器之間的多機通信。當主機想發(fā)送數據給多個(gè)從機中某個(gè)時(shí)，它先發(fā)送一個(gè)用于選擇目標的地址字節。地址字節與數據字節的區別是：地址字節的第9位為邏輯1，數據字節的第9位總是設置為邏輯0。主機發(fā)送的地址信息可以被各從機接收，而主機發(fā)送的數據信息只能被指定從機接收，從機之間不能直接通信。從機利用串行口控制寄存器SCON中的SM2位來(lái)控制地址和數據幀的接收。主機與多個(gè)從機之間異步通信過(guò)程如下： a) 使所有從機的SM2位置1處于只接收地址幀的狀態(tài)。 b) 主機先發(fā)送一幀地址信息，其中8位地址，第9位為地址／信息的標志位，該位置1表示該幀為地址信息，否則為數據信息。 c) 當從機接收到地址幀后，各自將接收的地址與本機的地址比較。只有地址相符的那個(gè)從機，使SM2位清零，準備接收主機隨后發(fā)來(lái)的信息；其余地址不符的從機，保持SM2=1，繼續監聽(tīng)地址幀。 d) 主機收到從機的應答信號后，如果地址相符，準備好數據信息，向從機發(fā)送數據或命令；如果地址不符，發(fā)復位信號，準備下一次的尋址過(guò)程。 e) 接著(zhù)主機向從機發(fā)送約定長(cháng)度的數據，發(fā)送結束后，發(fā)送一幀校驗和，并等待接收從機回送的校驗和。 f) 若校驗和正確，主機發(fā)送停止位，要求從機復位，完成與該分機通信；若不正確，則要求重發(fā)一次。 g) 從機收到復位命令后置SM2=1，回到監聽(tīng)地址幀狀態(tài)。 3 軟件設計 由于機載環(huán)境對程序空間、時(shí)間要求高，要求數據采集、處理速度快，本文采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件設計。機內測試控制系統的主處理器M0要求每隔50 ms刷新系統的所有狀態(tài)數據，因此M0需要定時(shí)發(fā)送命令給各分系統，以獲取最新的各系統狀態(tài)數據。電源監控系統中的監控主機根據M0發(fā)來(lái)的命令進(jìn)行相應的操作。如果接收的是控制命令(即開(kāi)關(guān)機命令)，監控主機立即將該命令轉發(fā)各個(gè)監控分機，控制各個(gè)電源的開(kāi)關(guān)操作。如果接收的是查詢(xún)命令，監控主機將緩沖內存中的各個(gè)分機的狀態(tài)值發(fā)送給M0。為確保上傳的數據為最新值，監控分機每隔1 ms采集一次相應電源的各個(gè)狀態(tài)量，而監控主機則每隔5 ms與8臺分機通信，讀取各分機的狀態(tài)值，并保存在緩沖內存中，以便M0的查詢(xún)。電源監控主機的CPU既處理與M0的數據交換，又要與8臺監控分機進(jìn)行多機通信，程序相對復雜。 4 抗干擾設計 機載雷達工作環(huán)境惡劣，對設備的可靠性要求高，電源單片機監控系統暴露在強EMI(電磁干擾)環(huán)境下，易受干擾，可靠性設計顯得尤為重要。電源及其凈化、接地、屏蔽、隔離和濾波等技術(shù)均關(guān)系到單片機控制系統工作的穩定性。硬件方面，系統采用高速光耦實(shí)現信號的完全隔離，采用屏蔽線(xiàn)纜，有效地抑制了外界干擾對數字系統的影響，尤其是電源監控分機，與一次電源高壓大電流部分距離很近，專(zhuān)門(mén)設計了屏蔽層，信號傳送采用帶有屏蔽層的連接器。在PCB(印制電路板)布線(xiàn)時(shí)，合理放置去耦電容，同時(shí)盡量采用片內存儲器，增加硬件看門(mén)狗電路；軟件方面，在程序中定期進(jìn)行初始化處理，增加重要指令執行次數，從而有助于提高整個(gè)系統的抗干擾能力。 5 結束語(yǔ) 電源監控系統采用嵌人式微機進(jìn)行模塊化設計，作為一個(gè)分節點(diǎn)，首次加入機載相控陣雷達內總線(xiàn)控制系統，使雷達系統具有對電源分系統進(jìn)行監控的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對數據處理主機來(lái)說(shuō)，只是增加了一個(gè)分機節點(diǎn)，簡(jiǎn)化了設計。 電源監控主機采用串行內總線(xiàn)控制系統，選取具有雙串行口的CPU分別與主處理機和多臺監控分機進(jìn)行通信，提高了系統響應速度和可靠性，符合現代雷達技術(shù)的發(fā)展方向。 |
