嵌入式雷达发射机故障监测系统的研制

摘要：某型早期雷达的发射机只采用两个指针式电表作为监测设备，缺乏完善的机内测试系统，为了更有效地监测发射机的工作状态，采用了加装嵌入式监测系统的方法。利用成熟的单片机及数据采集技术，设计了用于雷达发射机的多点调理电路和隔离电路，研制成嵌入式的故障监测系统。该系统在发射机上加装调试后经长期使用，检验了其使用效果良好，可靠性高，具有推广使用价值。
关键词：嵌入式；雷达；发射机；故障监测；单片机；数据采集

新一代雷达装备都设计有比较完善的机内测试(BIT)系统，它能对雷达的各功能模块进行实时监测，及时发现故障，将故障定位到现场可更换单元(LRU)，快速指导维修人员进行换件维修。完善的雷达BIT系统显著提高了雷达的维修保障性，使雷达出现的许多故障可以在现场维修。BIT技术的应用，使中继级维修的作用已日趋减弱，以两级维修体制逐步取代三级维修体制(基层级、中继级和基地级)。所谓两级维修，就是将外场不能修理的零部件直接送到基地修理，而不经过作战部队修理厂这一中继级，外场维修人员的工作就是将故障部件拆下，换上正常部件。
大量现役的早期雷达，只有简单的几个电表在线监测发射机的关键器件。在向两级维修体制转变的时期，这些没有自动检测功能的雷达由于工作时间长，同时又失去了原有的技术保障能力，就故障频发，尤其是工作于高频高电压的发射机，故障率更高，装备完好率迅速降低。
利用成熟的单片机技术及数据采集技术研制成嵌入式系统，监测这些雷达发射机中的所有关键器件，当发现某器件有故障预兆时发出报警并进行故障隔离，可大大装备完好率。

1 雷达发射机内监测点和隔离点的梳理
早期雷达发射机一般采用单级振荡式结构，包括定时器、脉冲调制器、射频产生器3个单元。
单级振荡式发射机的定时器一般由门电路级别的简单集成电路和石英晶体振荡器构成频率源，然后经分频电路多级分频输出定时触发脉冲，不同周期的触发脉冲由工作方式转换开关进行转换；射频产生器就是一个磁控管，这也是“单级振荡式”名称的由来；电路最复杂的是脉冲调制器，根据脉冲调制器的任务，它基本由下列3部分组成：电源部分、能量储存部分、脉冲形成部分。
脉冲调制器中高压电源由升压变压器和整流硅堆整流而成；充电元件为电感和二极管；调制开关为氢闸流管；储能元件为多节人工线串联而成，并可以由继电器控制串联的有效节数从而改变射频脉冲的宽度，由工作方式转换开关控制；耦合元件为脉冲变压器。另外还有其他辅助电路，比如反肩峰脉冲电路、磁控管灯丝电流测量电路等。磁控管灯丝电流测量指示仪表为指针式微安表，但没有声光报警功能。
根据对发射机内电路和元件的充分分析，结合修理发射机的先验经验，梳理出发射机内部需要监测的各点及其监测参数、数量等指标如表1所示。

当监测到某点参数超出标称值的范围后，预警系统的液晶屏可显示故障点的编号以供维修者迅速判定故障点，同时还可以对故障进行简单隔离保护，隔离保护的方式为机械式切断相关电源或信号通路。梳理隔离点的形式和数量如表2所示。

2 单片机选型及其资源分配
单片机是一种集成在电路芯片上，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I／O口和中断系统、定时器／计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
单片机有很多系列，其中应用范围和数量最大的还是MCS-51系列，并且随着激烈的竞争，MCS-51系列也在不断地发展，现在集成显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A／D转换器等电路的MCS-51系列单片机也很多。由于设备空间的限制，加装的嵌入式系统必须要实现自身设备的小型化，选用集成多通道高精度A／D和D／A变换器和通讯接口等是必须的，根据使用习惯及资源要求选用STC12C5628AD。
新一代宏晶芯片STC12C5628AD具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点。指令代码和管脚直接兼容传统89C52。可选用的资源有：
1)时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选；
2)8／16／20／32／40／48／52／56／60／62 k字节片内Flash程序存储器；
3)1280字节片内RAM数据存储器；
4)芯片内EEPROM功能；
5)增加外部掉电检测电路，可在掉电时，及时将数据保存进EEPROM；
6)8通道、10位高速ADC；
7)2通道捕获／比较单元(PWM／PCA)；
8)4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0／T1；
9)7路外部中断；
10)可编程时钟输出功能；
11)通用I／O口(36／40／44个)。
根据以上可选资源并分析表1和表2内的监测点和隔离点，分配单片机资源如表3所示。