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隨著雷達技術的不斷進步，具有顯著優點的相控陣雷達成為現代雷達的主流技術。由于相控陣雷達設備量越來越大，機內測試控制系統的研制開發越來越被重視。而雷達供電電源系統作為雷達上各分系統的動力核心，對雷達各分系統的可靠工作起著至關重要的作用。供電電源狀態的好壞與用電設備的工作狀態息息相關。當一個復雜的雷達系統出現故障時，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，也能夠洞察用電設備的工作狀態是否正常。因此，對電源系統的監控管理勢在必行。采用先進的電源監控技術可以對電源系統的工作狀態進行實時監控、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電源監控系統，作為一個分機節點，可以很方便地加入到雷達機內測試控制系統的總線中，有效地實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系。其中M0為機內測試控制系統的主處理機，通過RS-422串行總線的接口方式，與電源監控系統和其他分系統進行數據的傳輸。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進行通信，接收M0發來的各種控制命令，轉發給各個電源監控分機；另一方面，將各個電源監控分機采集來的各個電源的工作狀態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臺電源監控分機進行通信。這就要求電源監控主機至少能夠提供2個串行通信口。大部分MSC-51系列的單片機只有1個串行口，必須對其進行擴充，有幾種方案可以選擇： a) 方案1：采用2片單片機M1和M2，各自有一個串行口，M1的串行口與上位機M0通信，M2的串行口與各個電源監控分機通信，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來交換數據。 c) 方案3：選取具有2個獨立串行口的CPU，一個與上位機M0通信，另一個與8個下位機通信，在CPU內部RAM完成數據交換。 分別對這3個方案做了試驗并進行比較。方案1成本低，但軟件較復雜，中斷多，易發生沖突，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公司開發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)是一個全新的概念，是隨著半導體技術的不斷發展、集成度越來越高、對嵌入式控制技術的可靠性要求越來越高而產生的。 C8051F021片內資源包括：32個通用數字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12位D／A轉換器、2個模擬量比較器、5個通用定時器和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、SPI總線、2路UART總線、片內電源監視、片內溫度監視、片內看門狗定時器和片內時鐘源等。以上數字資源接口都可根據設計需要進行選擇，然后利用片內交叉開關分配到相應的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： a) 高速的與MCS-51指令系統完全兼容的微控制器內核CIP-51，采用流水線結構，其70％的指令在1～2個系統時鐘周期內完成，在25 MHz內部時鐘下，指令最快執行速度可高達25 MIPS(百萬條指令每秒)。 b) 大容量的Flash存儲器，可實現在線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，可以很方便實現斷點、單步觀察點、運行和停止等調試命令，且支持存儲器和寄存器的在線校驗和修改，開發效率大大提高。 d) 內部有2個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，還有一個完全符合系統管理總線標準的串行接口SMBus和一個SPI(串行外設接口)，這些串行總線都完全由硬件實現且都可以產生中斷，不共享定時器、中斷或I／O端口，因此可以同時使用所有的串行口。 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RS-422串行總線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的監測，記錄包括開／關機狀態、輸入過壓／欠壓、輸出過壓／欠壓、輸入過流、過溫、輸入缺相等狀態。監控分機定時采集這些狀態值并保存在RAM中，當監控主機接收到主處理機M0發來的查詢命令后，通過與監控分機進行多機通信，將各個電源分機的狀態值上傳給M0，由M0進行分析處理。考慮到器件的環境適應性，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，無需進行片外擴展。 2 多機通信過程 本系統中，電源監控主機與8臺電源監控分機通過RS-422，串行總線接口進行多機通信。電源監控分機的CPU中包含1個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接口分別通過一對RS-422的差分發送器DS26LS31和差分接收器DS26LS32進行數據的傳輸。通信過程中監控主機的發送門和接收門始終打開，而監控分機的接收門始終打開，而發送門由某指定信號控制。 在MCS-51系列單片機中，串行口工作在方式2或方式3，通過使用第9數據位可以支持一臺主處理器與1個或多個從處理器之間的多機通信。當主機想發送數據給多個從機中某個時，它先發送一個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。主機發送的地址信息可以被各從機接收，而主機發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位來控制地址和數據幀的接收。主機與多個從機之間異步通信過程如下： a) 使所有從機的SM2位置1處于只接收地址幀的狀態。 b) 主機先發送一幀地址信息，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從機，使SM2位清零，準備接收主機隨后發來的信息；其余地址不符的從機，保持SM2=1，繼續監聽地址幀。 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，向從機發送數據或命令；如果地址不符，發復位信號，準備下一次的尋址過程。 e) 接著主機向從機發送約定長度的數據，發送結束后，發送一幀校驗和，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，則要求重發一次。 g) 從機收到復位命令后置SM2=1，回到監聽地址幀狀態。 3 軟件設計 由于機載環境對程序空間、時間要求高，要求數據采集、處理速度快，本文采用匯編語言進行軟件設計。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數據，因此M0需要定時發送命令給各分系統，以獲取最新的各系統狀態數據。電源監控系統中的監控主機根據M0發來的命令進行相應的操作。如果接收的是控制命令(即開關機命令)，監控主機立即將該命令轉發各個監控分機，控制各個電源的開關操作。如果接收的是查詢命令，監控主機將緩沖內存中的各個分機的狀態值發送給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狀態量，而監控主機則每隔5 ms與8臺分機通信，讀取各分機的狀態值，并保存在緩沖內存中，以便M0的查詢。電源監控主機的CPU既處理與M0的數據交換，又要與8臺監控分機進行多機通信，程序相對復雜。 4 抗干擾設計 機載雷達工作環境惡劣，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、隔離和濾波等技術均關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現信號的完全隔離，采用屏蔽線纜，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，專門設計了屏蔽層，信號傳送采用帶有屏蔽層的連接器。在PCB(印制電路板)布線時，合理放置去耦電容，同時盡量采用片內存儲器，增加硬件看門狗電路；軟件方面，在程序中定期進行初始化處理，增加重要指令執行次數，從而有助于提高整個系統的抗干擾能力。 5 結束語 電源監控系統采用嵌人式微機進行模塊化設計，作為一個分節點，首次加入機載相控陣雷達內總線控制系統，使雷達系統具有對電源分系統進行監控的優點，同時對數據處理主機來說，只是增加了一個分機節點，簡化了設計。 電源監控主機采用串行內總線控制系統，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行通信，提高了系統響應速度和可靠性，符合現代雷達技術的發展方向。 |
