基于CPLD的機載小型化控制與保護

1 引言

隨著數(shù)字化電子技術日新月異的發(fā)展，借鑒國外先進經驗與先進技術推動我國電子設備產業(yè)的發(fā)展勢在必行。復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device, cpld )作為國外最先進的一代大規(guī)模數(shù)字器件，以其可靠性高和邏輯設計靈活的優(yōu)勢，在工業(yè)控制和軍事領域中得到了日益廣泛的應用。

機載雷達對發(fā)射機控制與保護系統(tǒng)（以下簡稱控保系統(tǒng)）要求十分嚴格，不僅要求它具有完備的實時邏輯控制與保護功能，而且對其所處的環(huán)境溫度與振動條件也要求十分苛刻?；赾pld技術的機載小型化控制與保護，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；在設計過程中，應用數(shù)字處理技術實現(xiàn)了對雷達發(fā)射機的實時與復雜邏輯控制，采用數(shù)字時間濾波技術提高發(fā)射機控保的i/o抗干擾性能；另外，由于cpld具備良好的現(xiàn)場在線可編程能力，基于cpld的控保系統(tǒng)對中小型發(fā)射機來說，在通用化、系列化、組合化應用方面具有較高的推廣價值。

2 功能需求

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

(1)完成對過溫、過壓、欠壓、真空度下降、管體過流、相關電源等的實時檢測。

(2)對發(fā)射機進行預熱延時處理，預熱完成后，按順序執(zhí)行開高壓、開觸發(fā)、開激勵等過程。

(3)為發(fā)射機調制器提供預調脈沖與前級控制脈沖。預調脈沖包括開啟脈沖與關斷脈沖，預調脈沖需進行邏輯保護，兩個脈沖不可同時為高電平。

(4)實現(xiàn)對發(fā)射機定時信號的檢測，具有過ｄ與過τ保護功能。

(5)控保系統(tǒng)檢測到故障時，智能化關閉發(fā)射機。

3 硬件組成

雷達發(fā)射機控保主要由cpld、運算放大器電路、比較器電路、i/o接口電路、預調脈沖形成電路、控制及顯示電路組成。其硬件組成框圖如圖1所示。

圖1中，高壓檢測電路將傳感器檢測信號進行放大，并比較產生過壓與欠壓的ttl接口信號送至cpld，高壓信號為模擬量信號，以行波管（travelling wave tube，twt）發(fā)射機為例，高壓包括twt的陰極高壓和收集極高壓；過流、過溫、鈦泵電流檢測電路分別提供cpld過流、過溫、真空度等相關故障信號；接口電路主要接收雷達信號處理機提供的差分傳送開關發(fā)射機指令與工作定時信號等；顯示電路指示發(fā)射機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)邏輯設計

基于cpld的小型化控保電路核心器件為cpld。系統(tǒng)采用4mhz晶振作時鐘基準脈沖，由cpld進行數(shù)字計數(shù)產生特定的時序關系，根據控制信息、發(fā)射機工作狀態(tài)和故障信息進行綜合評估，控保系統(tǒng)將各故障信息進行邏輯處理，產生故障結果，參與各節(jié)點的控制，實時保護和控制發(fā)射機開關機過程。

發(fā)射機控制與保護邏輯關系如圖2所示。指令信息包括開關高壓指令與開關調制指令，調制器用定時信號有兩組，一組為開啟脈沖，另一組為關斷脈沖，前級激勵信號控制導前脈沖形式。

4.2 上電復位與延時

控保上電復位十分重要，這里采用的是硬件外部復位與cpld的邏輯處理復位。其復位電路如圖3所示，reset來自于外部rc復位信號，當時鐘穩(wěn)定后，cpld內部產生一個復位信號使得各電路中的d觸發(fā)器復位，將計數(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)，沒有進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，這個過程實際上也是等待外圍i/o電平建立穩(wěn)定。

4.3 過d、過τ保護

過d與過τ保護，即，過占空比與過脈沖寬度保護。當出現(xiàn)過d與過τ故障時，立即關斷激勵與觸發(fā)，以保護twt等關鍵性器件。其檢測與保護在該系統(tǒng)中是比較難的，脈沖寬度與脈沖重復頻率可變這一特點，使得信號時序關系實時處理也比較復雜。而過d與過τ保護原理比較簡單。這里舉例加以說明。

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

用于檢測的基準時鐘為4mhz，cpld從脈沖上升沿電平翻轉開始計數(shù)，當電平下降沿翻轉后停止計數(shù)并鎖存數(shù)據data1，所計數(shù)據為τ的值，它們的分辨率為1/4mhz，誤差為±0.25μs。將鎖存的數(shù)據進行數(shù)字比較，當data1大于310/0.25即1240時，發(fā)生過τ故障。這里采用able硬件描述語言設計了1240數(shù)字比較器，程序如下：

equations

out=(i>=^d1240)；

end

脈沖信號上升沿觸發(fā)d觸發(fā)器，產生周期脈沖波形如圖4（b）所示，當圖4(b)中電平為高時對周期t1進行計數(shù)，為低時對周期t2進行計數(shù)，電平每發(fā)生一次翻轉，鎖存周期數(shù)據data2轉入下一個周期計數(shù)。采用圖4(a)脈沖波形上升沿作適當延時后的波形，用于數(shù)字比較器比較的觸發(fā)條件，當8倍的data1大于data2時，即發(fā)生過d故障。當過d/τ故障連續(xù)出現(xiàn)一定次數(shù)后，確認為故障，輸出相應故障信號。過d/τ保護邏輯框圖如圖5所示。圖6給出了過d/τ保護實時仿真所得的仿真結果。

4.4 i/o接口的抗干擾處理

真空電子管發(fā)射機由于具有高壓、大功率的特點，對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，外部微小干擾信號對于cpld來講，如不對i/o接口信號作數(shù)字濾波處理，cpld將認為這是有效信號參與邏輯判斷，實際上，對發(fā)射機的控制是不利的，會引發(fā)故障虛警，若錯誤地處理故障虛警信息，關閉發(fā)射機，則有可能使得本次試驗失敗，造成損失，以往應用小規(guī)模的集成電路的控保就存在類似的問題，并且很難解決。

應用cpld技術，解決抗干擾問題應相對容易，圖7給出了實際應用中的數(shù)字濾波技術原理圖，由4mhz信號進行分頻計數(shù)產生周期為0.25μs ×256×256≈16.4ms的時鐘信號，若故障連續(xù)出現(xiàn)超過8個脈沖，則認為是真實故障，而干擾信號不會造成故障信號輸出。

處理控制信號采用同樣的原理，當確認控制信息有效時，進行相關操作。

5 結束語

經試驗測試，上述控制與保護硬件電路和軟件的設計，具有較好的實時控制能力，在復雜的保護邏輯面前表現(xiàn)出了優(yōu)越性?；赾pld的控保系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、體積小、結構緊湊的特點，有較高的推廣應用價值。