ARPA导航雷达控制系统电压监视功能设计
2014-12-18李明理杨钏钏
李明理，杨钏钏
(1.中国人民解放军91404部队 92分队，河北秦皇岛 066000;2.海华电子企业(中国)有限公司，广东广州 510600)
ARPA导航雷达［1］包括天线、收发单元、控制系统、显示器和键盘等，控制系统则是整个导航雷达的核心。控制系统功能的完整性和工作的可靠性，直接影响到整个导航雷达功能的实现。控制系统中各模块具有稳定的电压则是其正常工作的必要条件。A/D转换器TLC0838芯片引脚少、封装小，在PCB板上占用的空间较小;但输出的信号格式为串行数据，需通过软件处理才能得到采样数据。
1 系统分析
基于FPGA的ARPA导航雷达控制系统电路如图1所示，电路由控制板和处理板两部分组成，控制板FPGA［2］选用 Altera公司的 Cyclone III系列芯片。
图1中各模块的工作内容与连接关系如下:(1)天线接口负责发送雷达信号，并接收雷达回波信号。(2)接收到的雷达视频信号经模拟电路处理完成雨雪抑制功能，并输出到处理板。(3)接收到的雷达控制信号经FPGA解码，获得AZ(方位信号)、HL(船首信号)、TR(触发脉冲)，并输出到处理板。(4)用户I/O为8路串口输入/输出。(5)电源为系统提供电源，FPGA控制TLC0838模数转换芯片对电源电压采样，实现电压监视。(6)FPGA控制以太网实现用户I/O、监视报文与上位机的数据传输。
图1 ARPA导航雷达控制系统电路框图
控制板实现对天线下行数据解码、杂波处理、向天线发送数据、8路串口收发数据、以太网收发数据及异常报警等功能。
2 硬件电路设计
外部输入至控制板+12 V电源，通过各型号电源稳压芯片产生－12 V、－5 V、+5 V、3.3 V等电压。由于系统可能在各种恶劣环境下工作，也可能存在许多不确定因素，导致各电压值有较大浮动。因此，需要对电压进行实时监视。系统选用多路A/D芯片TLC0838循环采集－5 V、－12 V、+5 V、+12 V及+3.3 V。
2.1 TLC0838简介
TLC0838［3］是 Texas Instruments 公司生产的 8 位逐次逼近A/D转换器，具有输入可配置的多通道多路器和串行输入、输出模式。模拟输入可配置为单端、差分或伪差分输入。该芯片种类有商业级别，工作环境为0～70℃;工业级别，工作环境为－40～+85℃，最高可达－40～+125.5℃。设计选用TL0838I，可以满足实际需要，其工作特性如下:bit分辨率;串行数据连接，支持SPI传输协议;参考电压为5 V;输入模拟电压范围为0～5 V;8通道多路转换器;输入输出兼容TTL、MOS电平;时钟为250 kHz时转换时间为32μs。
TLC0838引脚排列如图2所示，其中Ch0～Ch7为模拟输入端;/CS为片选端;DI为串行数据输入;DO为采样数据的串行输出端;CLK为工作时钟;SARS为转换状态输出端，该引脚为高电平时表示转换正在进行，为低电平则表示转换完成;REF为参考电压输入端;/SE为数据保持/输出端，该引脚为高电平时数据保存在数据线上，低电平则输出数据［4］。
图2 TLC0838引脚排列
2.2 硬件电路连接
TLC0838输入电压限制为0～5 V，因此需用模拟电路将－5 V、－12 V、+5 V及+12 V转换到0～5 V电压范围内，图3所示为－5 V电压到－5 V_TEST电压值的模拟转换电路，转换后－5 V_TEST的值为3.68 V。
图3 －5 V电压模拟转换电路
模拟电压经单端通道0～4输入TLC0838进行采样、量化和编码，并与FPGA进行数据传输，采样电路与FPGA通过SPI通信协议进行数据传输。具体连接电路如图4所示。TLC0838各通道的稳定输入电压分别为通道0:3.94 V，通道1:3.68 V，通道2:2.50 V，通道3:2.10 V，通道4:3.3 V。FPGA通过SPI模式对TLC0838进行寄存器配置和获取采样数据，采样时钟设置为200 kHz。
图4 TLC0838电路连接图
3 逻辑设计
基于Quartus II软件，用Verilog硬件描述语言［5］设计的电压监视逻辑包含TLC0838控制逻辑模块和电压监测与异常报警两个基本模块。
3.1 TLC0838控制逻辑模块
雷达系统要求每秒钟发送一次电压监视信息，且由于要对采集到的电压值进行平滑处理。因此，设置TLC0838芯片每0.1 s循环采样一次所有有效通道。利用FPGA对TLC0838的控制逻辑设计顶层图如图5所示，其内部包含各通道寄存器地址设置与SPI模式数据传输。
图5 TLC0838控制模块顶层图
TLC0838有8个单端输入通道，本文只用其中5个，分别为ch0～ch4，其寄存器地址设置如表1所示。
表1 TLC0838寄存器各通道地址
用SPI传输模式进行采样芯片与FPGA之间控制信号与数据信号的传输，单个通道的一次数据采集控制过程为:(1)设置输入时钟为200 kHz。(2)拉低片选信号/CS。向输入引脚DI输入一个时钟周期的高电平。(3)继续通过输入引脚DI设置芯片的控制寄存器。(4)控制寄存器设置完成后，等待两个时钟周期。输出引脚DO开始以MSB模式输出采样数据(5)输出8 bit数据后，/CS置高，一个通道数据采样完成。
系统要求循环采样5个通道，即每0.1 s循环采样一次所有有效通道，因此每0.02 s转换一次采样通道，循环采样流程图如图6所示。
图6 循环采样流程图
3.2 电压检测与异常报警模块
电压检测模块顶层图如图7所示，该模块包括数据平滑和检测报警两部分。通过对每通道采集到的10个采样值求平均，实现数据平滑;检测报警是对有效数据进行判断和打包发送过程，若检测到电压异常则输出报警信息。
图7 电压检测模块顶层图
电压检测模块处理过程如下:(1)设定电压范围:基准电压0.2 V。(2)每个通道分别采样10次，并分别对采样值进行平滑。(3)判断各通道的采样值是否在电压范围内，是则对应1;否则对应 0。(4)产生报警报文，每1 s向上位机发送一次报警监视信息。
本文将AZ、HL、TR信号与检测的电压值一起打包为报文，报文形式为:$PHT10，AAAAAAAA*，校验码0d0a，其中高3位分别为AZ、HL、TR监视信号，低5位则为电压监视信号，监视信号为高时输出A，否则输出V;随后为校验码，校验码为ASCII码报文数据的异或值;最后为回车换行符。
4 结束语
ARPA雷达系统与上位机通过以太网进行数据交换，即通过以太网对电压监视单元进行测试。图8所示为TCP＆UDP测试软件接收到的电压监视报文。
图8 TCP＆UDP测试软件接收电压监视报文图
图8中接收到的数据为$PHT10，AAAAAAAA*a，说明当前雷达 AZ、HL、TR信号及电压均保持正常。本文研究了ARPA导航雷达的控制系统，在分析控制板结构、功能的基础上，设计并成功调试了控制板的电压采集芯片驱动逻辑，对ARPA导航雷达稳定、可靠的工作提供了保障。
［1］丁鹭飞，耿富录.雷达原理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2009.
［2］徐光辉，程东旭，黄如，等.基于FPGA的嵌入式开发与应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.
［3］Texas Instruments Inc.TLC0838 datasheet［M］.Tex USA:Texas Instruments Inc，1997.
［4］常军，徐天赐.A/D转换器TLC0838在高速公路紧急电话系统中的应用［J］.电子技术，2007(2):29－31.
［5］华清远见嵌入式培训中心.FPGA应用开发入门与典型实例［M］.北京:人民邮电出版社，2008.
［6］孙浩.基于ARM和FPGA的嵌入式高速图像采集存储系统［J］.电子科技，2009，22(2):5 －7.
［7］黄翔，宋锐，吴成柯，等.基于FPGA的嵌入式视频编码系统研究与实现［J］.电子科技，2009，22(7):59 －61，65.
