基于CPLD的機(jī)載小型化控制與保護(hù)

1 引言

隨著數(shù)字化電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)與先進(jìn)技術(shù)推動(dòng)我國(guó)電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢(shì)在必行。復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device, cpld )作為國(guó)外最先進(jìn)的一代大規(guī)模數(shù)字器件，以其可靠性高和邏輯設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)控制和軍事領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用。

機(jī)載雷達(dá)對(duì)發(fā)射機(jī)控制與保護(hù)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱控保系統(tǒng)）要求十分嚴(yán)格，不僅要求它具有完備的實(shí)時(shí)邏輯控制與保護(hù)功能，而且對(duì)其所處的環(huán)境溫度與振動(dòng)條件也要求十分苛刻。基于cpld技術(shù)的機(jī)載小型化控制與保護(hù)，采用了lattice 公司的isplsi1032-60lg可編程邏輯器件，工作溫度范圍從-55℃到125℃，抗振等性能較好；在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的實(shí)時(shí)與復(fù)雜邏輯控制，采用數(shù)字時(shí)間濾波技術(shù)提高發(fā)射機(jī)控保的i/o抗干擾性能；另外，由于cpld具備良好的現(xiàn)場(chǎng)在線可編程能力，基于cpld的控保系統(tǒng)對(duì)中小型發(fā)射機(jī)來說，在通用化、系列化、組合化應(yīng)用方面具有較高的推廣價(jià)值。

2 功能需求

控保系統(tǒng)是發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。其主要技術(shù)要求有：

(1)完成對(duì)過溫、過壓、欠壓、真空度下降、管體過流、相關(guān)電源等的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

(2)對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行預(yù)熱延時(shí)處理，預(yù)熱完成后，按順序執(zhí)行開高壓、開觸發(fā)、開激勵(lì)等過程。

(3)為發(fā)射機(jī)調(diào)制器提供預(yù)調(diào)脈沖與前級(jí)控制脈沖。預(yù)調(diào)脈沖包括開啟脈沖與關(guān)斷脈沖，預(yù)調(diào)脈沖需進(jìn)行邏輯保護(hù)，兩個(gè)脈沖不可同時(shí)為高電平。

(4)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)定時(shí)信號(hào)的檢測(cè)，具有過ｄ與過τ保護(hù)功能。

(5)控保系統(tǒng)檢測(cè)到故障時(shí)，智能化關(guān)閉發(fā)射機(jī)。

3 硬件組成

雷達(dá)發(fā)射機(jī)控保主要由cpld、運(yùn)算放大器電路、比較器電路、i/o接口電路、預(yù)調(diào)脈沖形成電路、控制及顯示電路組成。其硬件組成框圖如圖1所示。

圖1中，高壓檢測(cè)電路將傳感器檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大，并比較產(chǎn)生過壓與欠壓的ttl接口信號(hào)送至cpld，高壓信號(hào)為模擬量信號(hào)，以行波管（travelling wave tube，twt）發(fā)射機(jī)為例，高壓包括twt的陰極高壓和收集極高壓；過流、過溫、鈦泵電流檢測(cè)電路分別提供cpld過流、過溫、真空度等相關(guān)故障信號(hào)；接口電路主要接收雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)提供的差分傳送開關(guān)發(fā)射機(jī)指令與工作定時(shí)信號(hào)等；顯示電路指示發(fā)射機(jī)故障信息和工作狀態(tài)信息。jatg接口提供cpld的在線編程接口。另外，該控保電路還提供了調(diào)制脈沖隔離變壓器用+20v電源和電路元器件用±12v電源。

4 工作原理

4.1 系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)

基于cpld的小型化控保電路核心器件為cpld。系統(tǒng)采用4mhz晶振作時(shí)鐘基準(zhǔn)脈沖，由cpld進(jìn)行數(shù)字計(jì)數(shù)產(chǎn)生特定的時(shí)序關(guān)系，根據(jù)控制信息、發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)和故障信息進(jìn)行綜合評(píng)估，控保系統(tǒng)將各故障信息進(jìn)行邏輯處理，產(chǎn)生故障結(jié)果，參與各節(jié)點(diǎn)的控制，實(shí)時(shí)保護(hù)和控制發(fā)射機(jī)開關(guān)機(jī)過程。

發(fā)射機(jī)控制與保護(hù)邏輯關(guān)系如圖2所示。指令信息包括開關(guān)高壓指令與開關(guān)調(diào)制指令，調(diào)制器用定時(shí)信號(hào)有兩組，一組為開啟脈沖，另一組為關(guān)斷脈沖，前級(jí)激勵(lì)信號(hào)控制導(dǎo)前脈沖形式。

4.2 上電復(fù)位與延時(shí)

控保上電復(fù)位十分重要，這里采用的是硬件外部復(fù)位與cpld的邏輯處理復(fù)位。其復(fù)位電路如圖3所示，reset來自于外部rc復(fù)位信號(hào)，當(dāng)時(shí)鐘穩(wěn)定后，cpld內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)使得各電路中的d觸發(fā)器復(fù)位，將計(jì)數(shù)器同步清零。由于電路在上電初始階段各i/o口電平均處于暫態(tài)，沒有進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，這個(gè)過程實(shí)際上也是等待外圍i/o電平建立穩(wěn)定。

4.3 過d、過τ保護(hù)

過d與過τ保護(hù)，即，過占空比與過脈沖寬度保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)過d與過τ故障時(shí)，立即關(guān)斷激勵(lì)與觸發(fā)，以保護(hù)twt等關(guān)鍵性器件。其檢測(cè)與保護(hù)在該系統(tǒng)中是比較難的，脈沖寬度與脈沖重復(fù)頻率可變這一特點(diǎn)，使得信號(hào)時(shí)序關(guān)系實(shí)時(shí)處理也比較復(fù)雜。而過d與過τ保護(hù)原理比較簡(jiǎn)單。這里舉例加以說明。

假設(shè)過d保護(hù)最大占空比為12.5%，過τ保護(hù)最大脈沖寬度為310μs。圖4(a)所示給出了待測(cè)的脈沖波形，占空比d等于τ/t，圖中τ1不等于τ2，t1不等于t2。

用于檢測(cè)的基準(zhǔn)時(shí)鐘為4mhz，cpld從脈沖上升沿電平翻轉(zhuǎn)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)電平下降沿翻轉(zhuǎn)后停止計(jì)數(shù)并鎖存數(shù)據(jù)data1，所計(jì)數(shù)據(jù)為τ的值，它們的分辨率為1/4mhz，誤差為±0.25μs。將鎖存的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字比較，當(dāng)data1大于310/0.25即1240時(shí)，發(fā)生過τ故障。這里采用able硬件描述語言設(shè)計(jì)了1240數(shù)字比較器，程序如下：

equations

out=(i>=^d1240)；

end

脈沖信號(hào)上升沿觸發(fā)d觸發(fā)器，產(chǎn)生周期脈沖波形如圖4（b）所示，當(dāng)圖4(b)中電平為高時(shí)對(duì)周期t1進(jìn)行計(jì)數(shù)，為低時(shí)對(duì)周期t2進(jìn)行計(jì)數(shù)，電平每發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，鎖存周期數(shù)據(jù)data2轉(zhuǎn)入下一個(gè)周期計(jì)數(shù)。采用圖4(a)脈沖波形上升沿作適當(dāng)延時(shí)后的波形，用于數(shù)字比較器比較的觸發(fā)條件，當(dāng)8倍的data1大于data2時(shí)，即發(fā)生過d故障。當(dāng)過d/τ故障連續(xù)出現(xiàn)一定次數(shù)后，確認(rèn)為故障，輸出相應(yīng)故障信號(hào)。過d/τ保護(hù)邏輯框圖如圖5所示。圖6給出了過d/τ保護(hù)實(shí)時(shí)仿真所得的仿真結(jié)果。

4.4 i/o接口的抗干擾處理

真空電子管發(fā)射機(jī)由于具有高壓、大功率的特點(diǎn)，對(duì)于低壓控保電路而言，具備較高的抗干擾能力十分重要。isplsi1032-60lg型cpld本身的抗干擾能力較好，由于cpld的最大工作頻率為60mhz，外部微小干擾信號(hào)對(duì)于cpld來講，如不對(duì)i/o接口信號(hào)作數(shù)字濾波處理，cpld將認(rèn)為這是有效信號(hào)參與邏輯判斷，實(shí)際上，對(duì)發(fā)射機(jī)的控制是不利的，會(huì)引發(fā)故障虛警，若錯(cuò)誤地處理故障虛警信息，關(guān)閉發(fā)射機(jī)，則有可能使得本次試驗(yàn)失敗，造成損失，以往應(yīng)用小規(guī)模的集成電路的控保就存在類似的問題，并且很難解決。

應(yīng)用cpld技術(shù)，解決抗干擾問題應(yīng)相對(duì)容易，圖7給出了實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)字濾波技術(shù)原理圖，由4mhz信號(hào)進(jìn)行分頻計(jì)數(shù)產(chǎn)生周期為0.25μs ×256×256≈16.4ms的時(shí)鐘信號(hào)，若故障連續(xù)出現(xiàn)超過8個(gè)脈沖，則認(rèn)為是真實(shí)故障，而干擾信號(hào)不會(huì)造成故障信號(hào)輸出。

處理控制信號(hào)采用同樣的原理，當(dāng)確認(rèn)控制信息有效時(shí)，進(jìn)行相關(guān)操作。

5 結(jié)束語

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，上述控制與保護(hù)硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)，具有較好的實(shí)時(shí)控制能力，在復(fù)雜的保護(hù)邏輯面前表現(xiàn)出了優(yōu)越性。基于cpld的控保系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。