用于航管雷达供电的测控系统设计

    随着航管雷达体制的快速发展及其技术的不断进步，对航管雷达机内测控系统的要求也越来越高[1]。作为航管雷达正常工作的动力源泉，对航管雷达供电系统的测控更显得尤为重要。电源工作正常与否，会直接影响航管雷达整机的性能，因此电源测控系统是航管雷达必不可少的重要组成部分[2]。
    为了排除电源故障，需要实时地了解电源发生故障时的状态[3]。这就要求在电源发生故障的瞬间，能够捕捉到电源实时的故障数据，并能在故障环境下稳定地保存下来，进而对系统电源参数进行实时测控、数字信息交换和故障记录显示等，从而降低操作人员和维护人员的技能要求，提高系统的可靠性，减少系统故障的平均维修时间[4]。
1 系统总体组成设计
    系统的总体组成如图1所示，主要包括PC104嵌入式计算机、传感器及其检测电路部分、接触器及其控制检测电路部分。

    采用PC104总线的嵌入式计算机，其优点在于硬件性能优越、成熟可靠、结构标准、更新换代容易、可以扩充电子硬盘、彩色显示卡、键盘接口、打印机接口以及各种可选配的功能卡。同时PC104计算机拥有丰富的软件资源，如各种操作系统的支持环境以及可以配置的各种工具软件，因而使得软件的编程和开发更加快捷和方便。本系统采用VxWorks实时操作系统为平台，它包括一个微内核，可以提供强大的网络支持、文件系统和I/O管理、C++编程环境支持各种模块。
    该电源测控系统采用霍尔元件传感器采集被测电源的电流和电压信号，传感器检测到的信号以电流信号输出给检测电路，经过A/V变换后，送到AD进行模拟量到数字量的转换，PC104计算机读取AD输出的数据并做相应的运算，之后将检测结果通过网络送到远端的上位机进行实时监视。
    该系统还接收由远端的上位机发来的接触器控制命令，通过控制电路输出到接触器的触点，对某一路电源进行开/关机控制。同时通过接触器状态检测电路检测接触器辅助触点的状态，观测被控制后的接触器是否动作，并将检测到的状态通过网络送到远端的上位机进行实时监视。
2 传感器及其检测电路
2.1 电压、电流传感器
    系统采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器。两者都是应用霍尔效应和零磁通原理的新一带传感器，可以在隔离条件下测量直流电压或电流。其主要功能特点有：(1)应用了霍尔原理的闭环补偿特性；(2)具有良好的线性度；(3)优化了响应时间；(4)宽频带、高灵敏度；(5)体积小无插入损耗[5]。
    电压传感器的输入是宽范围的直流电压信号，电流传感器的输入是宽范围的直流电流信号，输出均为4 mA~20 mA的测量信号。

2.2 电流电压检测电路设计
    该电路由精密电阻、电容、模数转换器AD7891以及必要的FPGA输出的控制信号构成。来自传感器的4 mA~20 mA电流检测信号经过精密电阻转换成0~5 V的电压检测信号，经过电容滤波后送到AD7891进行模数转换，输出的数字量由PC104计算机读取并处理。
    AD7891是美国ADI公司推出的一种12位数据采集系统(DAS)，应用电路如图2所示，AD7891的主要特性是：
    (1)分辨率12 bit；
    (2)转换时间1．6 μs；
    (3)8个具有过压保护的模拟信号通道；
    (4)+5 V单电源工作，低功耗；
    (5)非线性误差为±1LBS；
    (6)并行和串行接口；
    (7)芯片内有采样/保持放大器；
    (8)芯片内提供参考电源。

    它具有外接元件少、功耗低、精度高等优点，适合作各种微处理器、控制器以及数字信号处理机的接口。

2.3 温度检测电路设计
    采用MAX6673温度传感器，温度检测电路如图3所示。

 

    温度传感器的1脚输出PWM方波，通过FPGA内部的计数器和时钟对PWM方波的正、负脉宽进行计时，得到PWM波形中蕴涵的温度信息，最终由PC104计算机软件读取并计算出温度值，送监视界面显示。FPGA内部的温度读取模块如图4所示。

3 接触器测控电路
3.1 接触器控制电路设计
    如图5所示，该电路由FPGA、HC374、电阻和功率场效应晶体管IFR7380组成。来自远端的接触器开/关控制命令经过FPGA 内部的端口，送到三态锁存器HC374，并经过功率场效应晶体管IFR7380进行电流放大，输出给接触器，使接触器吸合或者断开。

    控制电路内部还接有拨动开关，使系统可以方便地实现本地控制和远端遥控控制的相互切换。
    IFR7380是大电流小电阻的功率场效应晶体管，它的主要性能指标有：(1)Vcc为80 V；(2)开关输出平均电流3 A；(3)功耗2 W。
3.2 接触器状态检测电路设计
    接触器状态检测电路如图6所示，由电阻、电容、HC244和FPGA组成。被检测的接触器的辅助触点的一端接地，另一端接到该系统，经电阻上拉后输入到HC244驱动器，经过电容滤波去除干扰信号，再输入到FPGA的内部端口，由PC104计算机读取接触器辅助触点的状态，处理之后送远端上位机的电源监视界面。

    当接触器断开时检测信号为高电平，吸合时检测信号为低电平，这种检测方法称之为干接点检测法。

4 系统软件设计
    操作系统选择VxWorks实时操作系统，这是由WindRiver推出的一种嵌入式强实时操作系统[6]，它存在多任务调度的方式，可以管理多个外设，而且可根据应用程序的需求对操作系统进行裁剪，最大程度地压缩代码,实现程序的优化。VxWorks因其卓越的稳定性被首先应用于航天、导弹等尖端领域，目前使用更加广泛[7-8]。
    软件处理流程如图7所示，系统引导成功后进入用户程序入口，首先开始任务的初始化，其主要包括初始化系统时钟、读取工作参数配置文件、控制端口复位、网络初始化等。软件通过网络对外进行通信，系统初始化完成后要创建网络接收任务，网络接收任务创建完成后就开始了主任务与网络接收任务的并行处理工作。

 

    网络接收任务与主任务的优先级相同，任务切换依靠系统时间片轮询来进行调度。两个任务之间依靠信号量进行通信，网络接收任务收到网络数据后对数据进行解析处理，并设置信号量以通知主任务进行相应的控制响应，其主要包括信号量复位、接触器控制、状态回送等。
    主任务除了处理外界的控制命令外还要实时地采集16路电压电流值、16个触点状态值、系统温度值。主任务采集各种状态信息后要定时把所有信息打包发送给远端的上位机。远端上位机上的电源测控监视界面如图8所示。

    由嵌入式PC104计算机和模拟器件构成的电源测控系统能够精确地对供电系统的各种电源的电流值、电压值进行实时监视，并通过远端操纵台对这些电源进行遥控开机或者关机，能实时监测这些电源的开机或者关机状态。该系统已经成功运用到某航管雷达的供电系统。