洪 暢，王志剛，朱慶彬，曹 陽

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)的總體架構(gòu)和各分機(jī)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)也愈加精細(xì)和復(fù)雜[1]，雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要。有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)復(fù)雜度高。作為相控陣?yán)走_(dá)的基本構(gòu)造單元，T/R組件同時(shí)具有組件數(shù)量多、監(jiān)測(cè)指標(biāo)多、維修困難等特點(diǎn)。目前，一般雷達(dá)系統(tǒng)中對(duì)T/R組件的故障檢測(cè)大多采用底層為以太網(wǎng)的通信方式。采取以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)傳輸速度快、實(shí)時(shí)性好，但需要在雷達(dá)系統(tǒng)中增加交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而且一旦集中式交換機(jī)受損，整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)備監(jiān)控將受到嚴(yán)重影響。針對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)中少則幾十個(gè)、多則數(shù)千個(gè)的T/R組件，如果都采取以太網(wǎng)的方式將會(huì)帶來系統(tǒng)通信故障的風(fēng)險(xiǎn)，并會(huì)影響到雷達(dá)其他分系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信。CAN總線是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，能夠有效地支持分布式通信和實(shí)時(shí)控制，具有可連接設(shè)備多、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，CAN總線通信鏈路連接簡(jiǎn)單，無需額外的設(shè)備支持。因此，本文提出了一種基于CAN總線的T/R組件故障檢測(cè)系統(tǒng)，通過CAN總線技術(shù)將多個(gè)T/R組件構(gòu)成一個(gè)通信分系統(tǒng)，其中采用一個(gè)主節(jié)點(diǎn)輪詢其他分節(jié)點(diǎn)的方式獲取T/R組件的狀態(tài)指標(biāo)，系統(tǒng)中主節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)顯控臺(tái)通信。這樣就將眾多的組件狀態(tài)報(bào)文和雷達(dá)其他網(wǎng)絡(luò)報(bào)文隔離開來，既降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本又具有良好的可靠性。[2-4]

1 基于CAN總線的T/R組件故障檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的T/R組件故障檢測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)有源T/R組件的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)組件工作發(fā)生故障時(shí)組件立即采取保護(hù)措施，系統(tǒng)迅速收集故障信息和狀態(tài)指標(biāo)發(fā)送給顯控臺(tái)。系統(tǒng)中T/R組件作為從節(jié)點(diǎn)通過內(nèi)部ADC實(shí)時(shí)采集工作狀態(tài)指標(biāo)，發(fā)生故障時(shí)內(nèi)部軟件系統(tǒng)將及時(shí)采取保護(hù)措施，確保組件工作安全。因此，檢主節(jié)點(diǎn)通過CAN與各個(gè)T/R組件通信，完成控制命令的下發(fā)和狀態(tài)指標(biāo)的收集，最后匯總所有組件的狀態(tài)信息進(jìn)行故障診斷。通過以太網(wǎng)將故障診斷結(jié)果和狀態(tài)指標(biāo)發(fā)送給雷達(dá)顯控臺(tái)，最終在人機(jī)交互界面上顯示出來。

由于系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)共用一條CAN總線，總線受損將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)CAN通信分系統(tǒng)喪失通信能力，因此系統(tǒng)中采用冗余設(shè)計(jì)的方式，采用完整的兩條CAN總線、兩個(gè)獨(dú)立的CAN驅(qū)動(dòng)器和控制器，當(dāng)其中一條總線發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)的通信不受影響。由于T/R組件數(shù)量多，監(jiān)測(cè)指標(biāo)多，導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)量比較大，因此軟件上采取主節(jié)點(diǎn)依次輪詢從節(jié)點(diǎn)的方式，規(guī)避了通信堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

在實(shí)際項(xiàng)目中，選用TI公司生產(chǎn)的TM4C129NCPDT芯片作為T/R組件和故檢主節(jié)點(diǎn)的ARM主控芯片。該芯片內(nèi)部集成了GPIO、UART、ADC、I2C、CAN、以太網(wǎng)等外設(shè)接口。在控制監(jiān)測(cè)電路中，GPIO模塊可以完成開關(guān)控制、讀取高低電平等工作；ADC模塊具有12位的轉(zhuǎn)換精度，可以對(duì)模擬源或內(nèi)部溫度傳感器進(jìn)行快速采樣；I2C模塊完成對(duì)鐵電存儲(chǔ)器的讀寫操作；芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)CAN控制器模塊，可自動(dòng)處理CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路。以太網(wǎng)接口遵循IEEE 802.3規(guī)范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)，故檢主節(jié)點(diǎn)和顯控臺(tái)的通信采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。外圍電路中CAN收發(fā)器選用SN65HVD1050D芯片。該芯片為CAN控制器和物理總線之間提供了一個(gè)接口，將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為總線上的差分電平。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)涉及兩種模塊的軟件編程，一是對(duì)T/R組件編寫故障采集、檢測(cè)、傳輸和保護(hù)程序，二是對(duì)故檢模塊主節(jié)點(diǎn)編寫故障診斷、CAN數(shù)據(jù)接收以及網(wǎng)絡(luò)處理程序。軟件流程圖如圖2所示。

(1) T/R組件中ARM首先完成自檢和初始化后，通過GPIO讀取外部地址指示信號(hào)形成各自的設(shè)備ID。

(2) 對(duì)T/R組件的脈沖電流/電壓、反射功率、激勵(lì)功率、輸出功率和溫度等工作狀態(tài)指標(biāo)模擬量進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，打包形成組件的工作狀態(tài)信息。

(3) 對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)設(shè)定合適的門限值，連續(xù)超出門限3次判定為有故障，點(diǎn)亮故障燈并采取保護(hù)措施，鎖存故障時(shí)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，此時(shí)組件的數(shù)據(jù)參量被鎖定，不再更新。

(4) 當(dāng)接收到CAN輪詢報(bào)文后將該組件的狀態(tài)報(bào)文發(fā)送到CAN總線上。故檢模塊中的ARM在完成自檢和初始化后啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，每隔固定周期發(fā)送輪詢報(bào)文到CAN總線上；當(dāng)主節(jié)點(diǎn)收到T/R組件反饋回來的故障和狀態(tài)報(bào)文后，按照組件設(shè)備ID進(jìn)行排序，最后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖器中，最終將數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)顯控臺(tái)。

2 工程應(yīng)用

該系統(tǒng)應(yīng)用于某雷達(dá)T/R組件故障檢測(cè)。系統(tǒng)中CAN總線波特率為1 Mbps，組件數(shù)量為16個(gè)，設(shè)置主節(jié)點(diǎn)定時(shí)器周期為100 ms，輪詢一次時(shí)間約1.6 s，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。系統(tǒng)中CAN總線還可以完成對(duì)組件的控制，如開關(guān)電、頻率變換、門限值更改、模式切換等。與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通信方式相比，CAN總線布線簡(jiǎn)單，僅需要兩條總線，采用差分傳輸，抗干擾能力較強(qiáng)，同時(shí)又減少了額外的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源，更有利于系統(tǒng)擴(kuò)容，在更大規(guī)模的應(yīng)用場(chǎng)景中具有較大優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語

T/R組件的工作狀態(tài)對(duì)于雷達(dá)的性能至關(guān)重要。關(guān)于雷達(dá)各分機(jī)以及T/R組件的故障檢測(cè)新技術(shù)正在深入研究。將CAN總線應(yīng)用到有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的故障檢測(cè)中，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，減小了體積和成本。本設(shè)計(jì)已經(jīng)在工程應(yīng)用中取得了預(yù)期的結(jié)果，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，在其他領(lǐng)域也具有良好的應(yīng)用前景。