CPLD在發(fā)射機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：可編程控制器（PLD）自20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)以來，就以其靈活、高效、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)受到設(shè)計(jì)者的青睞。而CPLD是20世紀(jì)90年代推出的一種復(fù)雜的PLD，其主要特征是集成規(guī)模大于1000門以上的可編程邏輯器件。它以其更大的容量，更快的速度，更強(qiáng)的仿真能力，增強(qiáng)了電路設(shè)計(jì)的靈活性。不但降低了開發(fā)成本，而且減小了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。因此，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)發(fā)射機(jī)的工作特點(diǎn)，介紹了用CPLD完成對發(fā)射機(jī)的控制和保護(hù)功能。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；復(fù)雜的可編程控制器；發(fā)射機(jī)；控制保護(hù)系統(tǒng)

0??? 引言

??? 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的控制保護(hù)電路中的邏輯控制，大多采用＋15V的CMOS邏輯，各種故障的比較采用的是模擬比較。這不僅使元器件分散，不易集成（因?yàn)闆]有＋15V電壓的可編程器件），不能編程，修改困難。最主要的問題是采樣電壓都是模擬電壓，不能與單片機(jī)和計(jì)算機(jī)連，不易做液晶顯示。而現(xiàn)在進(jìn)口的發(fā)射機(jī)基本上都帶液晶顯示，界面良好，想看某個(gè)電壓就可以顯示某個(gè)電壓，并且已經(jīng)把這一部分電路模塊化了。同時(shí)，一些大型的數(shù)控機(jī)床及環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱現(xiàn)在也都是用數(shù)字信號(hào)控制和顯示的，所以，模擬信號(hào)數(shù)字化是發(fā)射機(jī)控制保護(hù)電路的發(fā)展方向。

??? 現(xiàn)在采用先進(jìn)的CPLD技術(shù)，將控制開關(guān)機(jī)順序的組合邏輯用一片CPLD來實(shí)現(xiàn)；而故障比較部分用A/D變換器把采樣的模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，再用另一片CPLD進(jìn)行數(shù)字比較，使各路的故障比較由原來的并行工作，改成串行工作。這兩部分完成了控制保護(hù)系統(tǒng)的控制和保護(hù)兩大功能，而且大大減少了元器件數(shù)量。

??? 本文就如何用CPLD實(shí)現(xiàn)預(yù)熱延時(shí)、風(fēng)冷延時(shí)，加電的順序控制，各種故障的指示，消除按鍵的抖動(dòng)等功能；如何用CPLD實(shí)現(xiàn)串行采樣、數(shù)字比較；如何實(shí)現(xiàn)各種取樣的模擬電壓與數(shù)字信號(hào)的銜接；如何解決電平變成＋5V后，可能會(huì)帶來控制保護(hù)系統(tǒng)的誤報(bào)故障；以及如何在控制保護(hù)電路地跟發(fā)射機(jī)地連在一起時(shí)，濾掉紋波保證A/D的精度等方面，進(jìn)行了簡述。

??? 本系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)如下：

??? ——使用了先進(jìn)的CPLD技術(shù)，使編程和修改更加容易，可移植性增強(qiáng)；

??? ——元器件數(shù)量減少，控制簡單方便，提高了系統(tǒng)的可靠性；

??? ——有各種故障指示，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可以準(zhǔn)確定位。

1??? 對發(fā)射機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)的要求

??? 發(fā)射機(jī)由于其行波管非常昂貴，而且行波管的陰極電壓和收集極電壓都是高壓，輸出功率很大，所以，發(fā)射機(jī)的控制保護(hù)系統(tǒng)尤為重要。要求在出現(xiàn)任何一種故障時(shí)，控制保護(hù)系統(tǒng)都能發(fā)現(xiàn)故障，并且切斷供給行波管的高壓。控制保護(hù)系統(tǒng)分為控制和保護(hù)二部分，各部分具體要求如下。

1.1??? 控制部分

1.1.1??? 開關(guān)機(jī)順序

??? 開機(jī)時(shí)燈絲要有足夠的預(yù)熱時(shí)間，一般預(yù)熱時(shí)間需要3～5min。只有在燈絲電壓達(dá)到一定的幅度，預(yù)熱達(dá)到要求時(shí)間，以及沒有任何故障的情況下，才允許加高壓。待高壓加到一定的幅度才允許加觸發(fā)脈沖。關(guān)機(jī)時(shí)，應(yīng)先切斷高壓，后切斷低壓，而且低壓切斷后，要求風(fēng)冷延時(shí)斷電，使行波管的風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作1～2min，再切斷電源。所以，控制保護(hù)電路中要具有預(yù)熱延時(shí)和風(fēng)冷延時(shí)功能。

1.1.2??? 故障處理

??? 在高壓加上后，如果出現(xiàn)任何故障，應(yīng)該立即切斷高壓，以免造成行波管或高壓電源損壞。

1.1.3??? 顯示

??? 發(fā)射機(jī)在正常工作時(shí)應(yīng)有顯示，在故障發(fā)生時(shí)也應(yīng)該有顯示。

??? 在正常工作時(shí)，加上低壓，“預(yù)熱”燈亮。預(yù)熱時(shí)間達(dá)到后，如果沒有任何故障，“待機(jī)”燈亮，這時(shí)按下“高壓通”鍵，“高壓通”燈亮。

??? 發(fā)生故障時(shí)，無論是何種故障，該故障對應(yīng)的顯示燈都應(yīng)亮。共有11種故障燈，分別是陰極過壓、收集極過壓、燈絲欠壓、螺旋線過流、總供電過流、重頻故障、反射功率故障、行波管過熱、二組合過熱、光纖故障、門開關(guān)故障。

1.2??? 保護(hù)部分

??? 發(fā)射機(jī)具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、溫度保護(hù)、占空比保護(hù)、駐波保護(hù)、門開關(guān)保護(hù)等功能。

1.2.1??? 過壓保護(hù)

??? 對于行波管來說，它的陰極和收集極電壓都很高，現(xiàn)在大多采用開關(guān)電源，電壓很快就升到行波管要求的陰極和收集極電壓。如果反饋環(huán)路一旦失控，將使行波管因?yàn)檫^壓而燒毀。所以，必須檢測行波管陰極和收集極電壓，一旦出現(xiàn)過壓立刻將高壓切斷。主要是切斷開關(guān)電源的脈寬調(diào)制器的輸出脈沖，使主功率器件沒有驅(qū)動(dòng)脈沖，達(dá)到保護(hù)的目的。

1.2.2??? 過流保護(hù)

??? 包括螺旋線過流保護(hù)和總供電的過流保護(hù)。前者主要是保護(hù)行波管，防止行波管的螺旋線因電流過大而燒毀。后者是保護(hù)高壓電源和行波管，防止高壓電源短路或電流過大造成對行波管和高壓電源的損害。

1.2.3??? 溫度保護(hù)

??? 發(fā)射機(jī)由于輸出功率大，使得其本身的功耗較大，另外，一些功率器件也比較熱，雖然有風(fēng)冷系統(tǒng)，但為了安全而在關(guān)鍵件上另加溫度保護(hù)電路，一旦超過所設(shè)定的溫度門限，立即切斷高壓，使該器件不致因溫度過高而損壞。

1.2.4??? 占空比保護(hù)

??? 脈沖行波管的占空比是行波管的主要指標(biāo)，如果超過允許的最大占空比會(huì)損害行波管，所以，對輸入脈沖的占空比要有限制，一旦超過，立即切斷高壓，使行波管不工作。

1.2.5??? 駐波保護(hù)

??? 行波管是發(fā)射功率器件，如果反射的功率過大會(huì)損壞行波管，所以設(shè)置駐波保護(hù)。

1.2.6??? 門開關(guān)保護(hù)

??? 由于發(fā)射機(jī)內(nèi)有高壓，為保護(hù)人身安全，不允許在發(fā)射機(jī)開蓋的狀態(tài)下加高壓。

2??? 控制保護(hù)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

2.1??? 組合控制邏輯

??? 由一片CPLD（圖1中為CPLD₁）完成如下功能：——風(fēng)冷延時(shí)和預(yù)熱延時(shí)；

??? ——接受鍵盤上的“低壓通/斷”、“高壓通”、“高壓斷”、“復(fù)位”、“天線/負(fù)載轉(zhuǎn)換”等指令，產(chǎn)生相應(yīng)的邏輯；

??? ——控制加高壓的順序，必須先通低壓，加燈絲電壓、待燈絲“預(yù)熱”狀態(tài)結(jié)束，并無任何故障時(shí)，才允許加高壓；高壓升到一定的幅度才允許加觸發(fā)脈沖；當(dāng)出現(xiàn)任何故障的時(shí)候，都必須首先切斷高壓；完成正常狀態(tài)與故障狀態(tài)的顯示和編碼，即把各種狀態(tài)指示出來，如按“低壓通”鍵時(shí)，“低壓通”燈應(yīng)亮；預(yù)熱狀態(tài)時(shí)“預(yù)熱”燈亮；風(fēng)冷狀態(tài)下“風(fēng)冷”燈應(yīng)亮；預(yù)熱狀態(tài)結(jié)束時(shí)，“高壓斷”燈應(yīng)亮；按“高壓通”鍵時(shí)，“高壓通”燈應(yīng)亮；當(dāng)發(fā)生任何故障時(shí)，均應(yīng)切斷高壓，“保護(hù)”燈應(yīng)亮，同時(shí)對應(yīng)該故障的燈應(yīng)亮；當(dāng)故障排除后，按“復(fù)位”鍵，系統(tǒng)應(yīng)能回到高壓斷狀態(tài)；另外，還要把多種故障編成碼，送中心機(jī)顯示。

2.2??? 時(shí)序控制邏輯

??? 由另一片CPLD（圖1中為CPLD₂）實(shí)現(xiàn)，這一片CPLD的功能是分時(shí)地采樣5路模擬信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入相應(yīng)的鎖存器里，然后與各自的數(shù)字基準(zhǔn)比較，超過基準(zhǔn)的判為“高”，并將比較的結(jié)果送入上一片CPLD作為故障指示。按照上述要求，這一片CPLD應(yīng)完成如下功能：

??? ——給多路A/D產(chǎn)生地址選擇信號(hào)，并在每一路地址有效期間完成；另外，產(chǎn)生數(shù)據(jù)采樣信號(hào)給A/D變換器，使A/D開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完后，在70ns內(nèi)將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的鎖存器；

??? ——進(jìn)行多路數(shù)字比較，產(chǎn)生故障信號(hào)，并將故障信號(hào)送入控制組合邏輯的CPLD，切斷高壓。

3??? 控制保護(hù)系統(tǒng)方框圖

??? 控制保護(hù)系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。CPLD₁主要完成對發(fā)射機(jī)的開關(guān)順序控制。CPLD₂主要給A/D變換產(chǎn)生時(shí)序，以及完成數(shù)字比較，產(chǎn)生各種門限保護(hù)。差分運(yùn)放主要是用來去除來自發(fā)射機(jī)內(nèi)的取樣信號(hào)的共模干擾。光接受器/鎖相環(huán)主要是采樣懸浮于地的收集極電壓。陰極脈寬調(diào)制器主要產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)陰極高壓電源的脈寬調(diào)制信號(hào)。收集極脈寬調(diào)制器主要產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)收集極高壓電源的脈寬調(diào)制信號(hào)。

圖1??? 小型化發(fā)射機(jī)數(shù)字控制保護(hù)電路方框圖

4??? 實(shí)現(xiàn)控制保護(hù)系統(tǒng)功能時(shí)出現(xiàn)問題的分析和解決辦法

4.1??? 電平反串

??? 由于發(fā)射機(jī)在起始通電狀態(tài)下只有熱電源在工作，其余部分都不上電，當(dāng)按下“低壓通”鍵時(shí)，發(fā)射機(jī)其余部分才上電。所以，發(fā)射機(jī)的控制保護(hù)電路必須要把“低壓通”鍵和其余鍵的邏輯分開，即“低壓通”鍵的邏輯不能與其余鍵的邏輯一起置于CPLD中，而必須拿出來單獨(dú)處理。它的作用就是只對控制“低壓通”鍵的芯片上電。這就產(chǎn)生了由于上電分先后而帶來的電平反串問題，即在只有加熱電源時(shí)，就有1.8V左右的電平串入單獨(dú)給CPLD供電的＋5V電源中，而這時(shí)給CPLD供電的＋5V電源并未加，由于CPLD是3.3V/5V都可工作的，所以CPLD這時(shí)已經(jīng)開始工作，產(chǎn)生許多錯(cuò)誤邏輯，使許多故障燈都亮了，這是不允許的。測試發(fā)現(xiàn)這個(gè)反串電平是由于54HC245這個(gè)芯片帶來的，而且后來發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)的芯片，反串電平就越嚴(yán)重。

??? 解決的辦法是將送顯示的驅(qū)動(dòng)芯片換掉，都改成光電耦合器，這樣就解決了反串電平的問題，而且有利于將控制保護(hù)電路板子上的地和外界隔開，對A/D變換也有好處。

4.2??? 按鍵抖動(dòng)

??? 雖然加了一些消除按鍵抖動(dòng)電路，但是效果都不太理想，尤其是“高壓通”和“高壓斷”兩個(gè)按鍵，由于是上升沿觸發(fā)，而且狀態(tài)互鎖，致使有時(shí)按下“高壓通”鍵，一松手狀態(tài)就保持不住，又回到“高壓斷”狀態(tài)；有時(shí)按下“高壓斷”鍵又回不到“高壓斷”狀態(tài)。用示波器觀察波形，發(fā)現(xiàn)在按鍵按下和松開時(shí)有抖動(dòng)。為此對“高壓通”和“高壓斷”鍵入的信號(hào)，利用時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)D觸發(fā)器，再通過D觸發(fā)器送入CPLD，效果非常明顯，消除了按鍵抖動(dòng)。

4.3??? A/D變換的精度

??? 這個(gè)問題是整個(gè)電路中最關(guān)鍵的問題。500mV的紋波，對邏輯電平不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，既不會(huì)造成錯(cuò)誤電平，也不會(huì)誤報(bào)故障，但是對A/D來說，卻太大了。

??? 以最大電壓5V，8位的A/D來說，最小量化單位δ=×5≈20mV，500mV的紋波，對于十進(jìn)制=25，對于十六進(jìn)制是19H，對于二進(jìn)制是11001B，相當(dāng)于5位都在跳。對于12位的A/D說，最小量化單位δ=×5==1.2mV，500mV的紋波，對于十進(jìn)制≈417，對于十六進(jìn)制是1A1H，對于二進(jìn)制是110100001B，相當(dāng)于9位在跳，這樣大的紋波，大大影響了A/D的精度。就拿陰極電壓來說，12kV的陰極電壓，過壓門限按5％計(jì)算，是12.6kV，那么這600V電壓轉(zhuǎn)換成5V電平相當(dāng)于600/12000×5=250mV，電平的變化淹沒在噪聲中，根本就體現(xiàn)不出來。不能完成過欠壓的精細(xì)比較。要想完成精細(xì)比較，紋波就得降下來。當(dāng)紋波小于100mV時(shí)，對于8位A/D變化只有3位在變，電平的變化沒有淹沒在噪聲中，是可以使用的，當(dāng)然紋波處理得越小越好。即使實(shí)在降不到太小，還可以通過數(shù)字信號(hào)處理的方法，用各種數(shù)字濾波器，對變換出來的數(shù)字信號(hào)濾掉干擾。

??? 具體解決的辦法如下：

??? ——將采樣各路信號(hào)的模擬電壓通過線性光耦與發(fā)射機(jī)的地隔離，使發(fā)射機(jī)的地線噪聲不會(huì)進(jìn)控制保護(hù)板；

??? ——所有輸入的信號(hào)都加光耦，使發(fā)射機(jī)的地與整個(gè)控制保護(hù)電路的模擬地、數(shù)字地隔開；

??? ——整個(gè)控保電路的模擬地、數(shù)字地懸浮起來，外加屏蔽罩。

??? 采用以上方法后，A/D精度有了明顯的改善，能使紋波達(dá)到100mV。

5??? 結(jié)語

??? 該控制保護(hù)電路板已經(jīng)在發(fā)射機(jī)上完成聯(lián)調(diào)，其控制和保護(hù)的功能，以及閉環(huán)加高壓的功能全都實(shí)現(xiàn)，精度滿足要求。當(dāng)需要更高采樣精度時(shí)，則可以用一些數(shù)字信號(hào)處理的方法來進(jìn)一步對A/D轉(zhuǎn)換過來的數(shù)字量進(jìn)行處理，使精度進(jìn)一步提高。

??? 新技術(shù)的發(fā)展使發(fā)射機(jī)控制保護(hù)電路的技術(shù)不斷進(jìn)步，CPLD在實(shí)現(xiàn)控制保護(hù)電路功能方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢，在國外這種模塊化的控制保護(hù)電路已經(jīng)很普遍，跟上國際先進(jìn)技術(shù)應(yīng)是我們努力的方向。