徐湘寧

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

監(jiān)控模塊是發(fā)射組件監(jiān)測(cè)和控制的核心，主要對(duì)發(fā)射組件進(jìn)行工作狀態(tài)采集和射頻開(kāi)關(guān)控制。監(jiān)控模塊可實(shí)現(xiàn)發(fā)射組件輸入功率檢測(cè)、輸出功率檢測(cè)、工作電流測(cè)量和溫度測(cè)量等功能。同時(shí)，上位機(jī)可通過(guò)控制局域網(wǎng)(CAN)總線發(fā)出狀態(tài)查詢(xún)命令和射頻開(kāi)關(guān)命令來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射組件工作狀態(tài)的查詢(xún)和射頻開(kāi)關(guān)的控制［1］。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 背板設(shè)計(jì)

背板對(duì)外采用高密度的微矩形插座，輸入為雙路5 V電源、發(fā)射組件工作狀態(tài)和工作電流采樣信號(hào)，輸出為射頻開(kāi)關(guān)控制，與上位機(jī)信息交換采用CAN通信方式。電源線連接一般采用雙線或多線，輸入狀態(tài)量、輸入模擬量和輸出控制分組連接。背板對(duì)內(nèi)采用直插的矩形插座，可方便檢測(cè)控制板調(diào)試時(shí)的拔插。

1.2 檢測(cè)控制板設(shè)計(jì)

檢測(cè)控制板負(fù)責(zé)發(fā)射組件的數(shù)字量采集、模擬量采集、工作狀態(tài)CAN總線上報(bào)和射頻開(kāi)關(guān)控制。檢測(cè)控制板主要由光耦電路、差分接口電路、模擬運(yùn)放電路、看門(mén)狗電路、DSP供電電路、DSP處理單元、時(shí)鐘電路、串行存儲(chǔ)單元、測(cè)溫電路、輸出控制電路和CAN總線接口電路組成［2］。

檢測(cè)控制板的原理框圖如圖1所示。光耦電路和差分接口電路將發(fā)射工作狀態(tài)及差分輸入轉(zhuǎn)換成DSP能處理的數(shù)字電平。模擬運(yùn)放電路將發(fā)射工作電流采樣電壓放大后送至DSP進(jìn)行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換處理。看門(mén)狗電路為DSP提供實(shí)時(shí)的工作監(jiān)測(cè)，當(dāng)DSP工作軟件運(yùn)行異常時(shí)，看門(mén)狗電路為DSP提供復(fù)位信號(hào)。DSP供電電路將5 V輸入轉(zhuǎn)換為DSP工作需要的3.3 V電源和1.8 V電源。時(shí)鐘電路提供DSP運(yùn)行時(shí)的工作時(shí)鐘。DSP通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)串行存儲(chǔ)單元讀寫(xiě)及測(cè)溫電路數(shù)值讀取，通過(guò)輸出控制電路實(shí)現(xiàn)射頻開(kāi)關(guān)控制，通過(guò)CAN總線接口電路實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的CAN通信［3-10］。

1.3 信號(hào)傳輸抗干擾設(shè)計(jì)

發(fā)射組件監(jiān)控模塊對(duì)外信號(hào)接口一般為數(shù)字信號(hào)，為了提高信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力，一般采用差分傳輸、光耦傳輸及電平轉(zhuǎn)換等方法。

差分傳輸是將一個(gè)TTL電平轉(zhuǎn)換為一個(gè)差分對(duì)后輸出。輸出線一般采用帶屏蔽的雙絞線，可大大降低共模干擾和空間干擾。差分傳輸要注意將差分發(fā)送芯片與發(fā)送接收芯片的地電位差控制在1 V以?xún)?nèi)，這樣可保證差分發(fā)送芯片與發(fā)送接收芯片的長(zhǎng)期可靠工作。

圖1 檢測(cè)控制板原理框圖

光耦傳輸是將待發(fā)送信號(hào)進(jìn)行光電隔離后的一種傳輸方式。光耦兩端使用不同的直流電源供電，可避免外部大功率電路工作時(shí)對(duì)發(fā)射監(jiān)控模塊內(nèi)部數(shù)字信號(hào)的影響。

電平轉(zhuǎn)換是將低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為高電平信號(hào)輸出。該方式一般用于發(fā)射組件內(nèi)部模塊的開(kāi)關(guān)控制，通常將TTL控制電平轉(zhuǎn)換為12 V電平或24 V電平進(jìn)行射頻通斷控制。

1.4 印制板抗干擾設(shè)計(jì)

印制板抗干擾設(shè)計(jì)包括印制板走線、器件布局和覆銅等方面。

印制板走線要注意以下四個(gè)事項(xiàng):(1)信號(hào)線走線不能太細(xì)，線寬最好不小于0.3 mm;(2)數(shù)字信號(hào)線與模擬信號(hào)線間要有合適的安全間距，防止線間的干擾;(3)電源線一定要盡可能的粗，減小印制線上的電源壓降;(4)高速信號(hào)線在印制板內(nèi)的走線要盡可能短。

器件布局要做到以下三點(diǎn):(1)對(duì)輸入電源電壓變化敏感的器件要靠近電源輸入端放置;(2)數(shù)字電路與模擬電路要分區(qū)放置;(3)相互連線較多的幾個(gè)器件要就近放置。

覆銅要注意以下兩個(gè)方面:(1)覆銅不要覆全銅，最好覆成網(wǎng)格狀;(2)主電源的電源和地要大面積覆銅。

1.5 結(jié)構(gòu)抗干擾設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)抗干擾設(shè)計(jì)主要有以下三個(gè)方面的內(nèi)容:(1)要盡量保證發(fā)射組件監(jiān)控模塊外裝金屬盒的結(jié)構(gòu)完整性，做到金屬盒的開(kāi)口面積盡可能小;(2)射頻信號(hào)輸入與數(shù)字信號(hào)輸入采用不同的插座，防止射頻干擾;(3)發(fā)射組件監(jiān)控模塊與射頻工作電路放在發(fā)射組件不同的腔體中，距離盡可能遠(yuǎn)。

2 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控模塊軟件完成發(fā)射組件的初態(tài)設(shè)置、工作狀態(tài)采集、工作電流采集、輸出控制和CAN通信，主要由初始化子程序、狀態(tài)采集子程序、電流采集子程序、輸出控制子程序和CAN通信子程序組成。

2.1 初始化子程序設(shè)計(jì)

初始化子程序主要完成DSP對(duì)外部IO接口的初始化和CAN通信初始化，需保證上電復(fù)位后射頻開(kāi)關(guān)控制在“關(guān)”狀態(tài)，CAN通信口處于正常工作狀態(tài)。初始化子程序流程圖如圖2所示。

圖2 初始化子程序流程圖

2.2 狀態(tài)采集子程序設(shè)計(jì)

狀態(tài)采集子程序主要完成發(fā)射組件工作狀態(tài)的采集，主要有輸入、輸出狀態(tài)和過(guò)溫狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)處理后置于狀態(tài)存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)狀態(tài)數(shù)據(jù)延時(shí)讀取三次不相同時(shí)，重新讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)新數(shù)據(jù)與舊數(shù)據(jù)相同時(shí)，不更新?tīng)顟B(tài)存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)新數(shù)據(jù)與舊數(shù)據(jù)不同時(shí)，更新?tīng)顟B(tài)存儲(chǔ)區(qū)。狀態(tài)采集子程序流程圖如圖3所示。

圖3 狀態(tài)采集子程序流程圖

2.3 電流采集子程序設(shè)計(jì)

電流采集子程序負(fù)責(zé)發(fā)射組件工作電流采樣電壓A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值計(jì)算，并做一定的數(shù)值濾波。由于發(fā)射組件工作電流采樣電壓有零漂和一定的上下波動(dòng)，當(dāng)采樣值不在正常范圍內(nèi)時(shí)，需進(jìn)行采樣值異常處理。當(dāng)獲得正確的采樣值后，還需進(jìn)行數(shù)值修正，再計(jì)算出正確的發(fā)射組件電流值。電流采集子程序流程圖如圖4所示。

圖4 電流采集子程序流程圖

2.4 輸出控制子程序設(shè)計(jì)

輸出控制子程序主要用于發(fā)射組件射頻開(kāi)關(guān)控制和異常情況保護(hù)。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出射頻開(kāi)關(guān)控制指令時(shí)，輸出控制子程序控制輸出控制電路發(fā)出射頻開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。當(dāng)發(fā)射組件工作異常時(shí)，輸出控制子程序控制輸出控制電路發(fā)出射頻關(guān)控制信號(hào)。輸出控制子程序流程圖如圖5所示。

圖5 輸出控制子程序流程圖

2.5 CAN通信子程序設(shè)計(jì)

CAN通信子程序主要負(fù)責(zé)上位機(jī)控制命令接收和發(fā)射組件工作狀態(tài)上報(bào)。CAN通信接收采用中斷方式，當(dāng)收到狀態(tài)查詢(xún)指令時(shí)上報(bào)發(fā)射組件的工作狀態(tài)，當(dāng)收到發(fā)射組件射頻開(kāi)關(guān)指令時(shí)控制發(fā)射組件射頻開(kāi)關(guān)。

通信報(bào)文的設(shè)計(jì)要遵循以下四項(xiàng)原則:

(1)報(bào)頭與報(bào)尾定義要具有唯一性，必要時(shí)可采用雙字節(jié)校驗(yàn);

(2)在報(bào)文中加入節(jié)點(diǎn)號(hào)字節(jié)以方便進(jìn)行輔助校驗(yàn);

(3)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)不能與報(bào)頭或報(bào)尾相同，最好每個(gè)字節(jié)只用7個(gè)數(shù)據(jù)位;

(4)報(bào)文長(zhǎng)度盡可能短，減少被干擾概率。

CAN通信子程序流程圖如圖6所示。

圖6 CAN通信子程序流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提供了一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的發(fā)射組件監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)發(fā)射組件監(jiān)控模塊的硬件設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)描述。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還應(yīng)注意DSP供電電路和DSP芯片的散熱設(shè)計(jì)。此外，通信接口還可擴(kuò)充RS422和RS485等通信方式。當(dāng)需要遠(yuǎn)程控制時(shí)，可外加CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換模塊，使發(fā)射組件的監(jiān)控方式更加靈活。

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