基于D S P和F P G A的行波管功率合成放大器控制系统设计

甄 洁，向 兵，薛晓莉，张杨林子，杨明华

（中国电子科技集团公司第十二研究所，北京 100015）

本文中设计的控制保护系统适用的行波管放大器要求输出功率≥350kW，因此选用了两支行波管合成的方式设计。该放大器要同时实现两支行波管工作电源的逻辑控制、保护以及电源参数的检测。放大器的行波管功率合成还需要经波导开关分成两路，分别转化为7/16（f）和WRD650波导口输出。因此放大器的控制保护系统还需要控制波导开关的切换。本文介绍了该放大器的控制保护系统设计。

1 系统总体设计

1.1 放大器微波链路

放大器控制系统的设计需要结合系统的微波链路[1]，如图1所示。射频输入后，经过前级固放进行初级放大，通过功分器分成两路信号，分别经过增益均衡器和补相电缆进入两个行波管的输入端，由行波管将信号进行放大，通过魔T进行合成，最后通过双定向耦合器到达波导开关。根据实际需要切换波导开关来选择信号的输出通道。

图1 微波链路图

1.2 放大器控制系统功能

放大器控制系统具有控制和保护功能。控制功能包括：

（1）按键控制：高压控制按键（RF ON/OFF）；复位按键（RESET）；本地远程按键（REMOTE）；波导开关切换按键。

（2）数据采集功能：温度采集（电源、集电极和机箱）；两支行波管各自工作电压和电流；输出信号正、反向功率。

（3）编码器控制：改变输出频率显示；输入功率校准数据。

（4）液晶屏显示控制：通过串口实现放大器的状态、控制信息和故障信息在液晶屏幕上的显示。

（5）控制输出信号：高压控制；前级固放供电控制；波导开关切换控制。

保护功能则包括：

（1）高压保护：接收高压电源给出的故障信号切断高压，显示对应故障；根据采集到的两支行波管的电压和电流作出保护，切断高压，显示故障。

（2）温度保护：当电源超温时，需要重新给设备上电；当集电极超温时，点击RESET重新上高压；当机箱温度超温时，需要切断电源，进行检查。

（3）波导开关切换保护：波导开关会提供两组限位信号，限位信号接通代表波导开关到位。波导开关不到位时，不能开启高压。高压开启时，不能进行波导开关的切换。

（4）驻波比保护：根据采集的正反向功率，计算实时驻波比，当放大器输出口驻波比超过限制后，切断高压，显示故障。点击RESET可重新加高压。

2 控制系统硬件设计

控制系统以DSP（Digital Signal Processing）和FPGA（Field-Programmable Gate Array）为核心进行设计，控制系统组成如图2所示。主要包括数据采集、I/O端口控制、人机界面和通信电路。

A/D数据采集使用AD7656的三路DOUT线的串行接口设计[2]，图3显示了六个同步转换以及采用三DOUT线路的读取序列。A/D数据的采集，利用FPGA编程实现，最后采集的数据通过地址总线和数据总线发送至DSP进行处理。AD7656采样包括两支行波管电压和电流以及输出正反向功率。温度采集则使用DSP芯片自带端口。温度芯片选用TMP01线性电压输出的温度传感器。

I/O端口控制则包括输出和输入。输出端口控制包括电源开关、前级固放开关、波导开关切换；输入端口包括电源故障、波导开关状态。I/O端口的控制主要通过FPGA实现，FPGA可以快速的处理组合逻辑和时序问题。

图2 控制系统组成框图

图3 AD7656串行接口

人机界面设计包括按键、编码器和液晶屏。为了提高控制器的效率，本设计采用中断的方式处理按键动作。FPGA对按键信号进行软件滤波和组合逻辑分析处理后，发出中断信号给DSP，DSP读取按键值进行响应。液晶屏用于显示系统的工作状态、故障信息等，结合编码器实现频率、GPIB地址、功率校正参数的输入。

通信电路则使用了RS232和GPIB的通信方式。用户可以通过GPIB接口，利用上位机实现对系统的远程监控。

3 控制系统软件设计

3.1 系统软件流程

FPAG软件需要对各部分的I/O端口进行定义，输入端口包括按键、编码器、A/D采样、电源故障、波导开关状态等；输出端口则包括电源开关控制、前级固放开关控制、波导开关切换控制。FPGA程序需要随时监测I/O输入端口的电平变换，并发出相应的中断信号交给DSP处理。同时，FPGA还需要将DSP回复的响应信号通过I/O输出端口发出对应的高低电平。FPGA的开发环境为ISE Design Suite 14.2软件，采用VHDL硬件语言编写程序代码[3]。

DSP软件部分需要对FPGA的发出的按键中断的响应，AD采样的数据处理，液晶屏的显示，故障信号的分析处理，放大器工作的逻辑控制，存储器的读写以及与上位机的通信等。其中放大器工作的逻辑控制是软件的关键部分。放大器的正常工作有着严格的顺序要求。放大器工作过程中还需要对故障做出保护控制。DSP芯片F2812的开发环境为CCS（Code Compose Studio V4）软件，用C语言编写程序代码[4]。

DSP中软件设计流程如图4所示。放大器开机后，系统开始预热，倒计时180s。预热结束后，液晶屏显示操作界面，显示高压开关状态、频率、正反向传输功率，两支行波管阴极电压、管体电流、收集极温度、机箱内部温度、累计工作时间、微波开关位置等。通过微波开关限位信号判断能否进入加高压步骤，若无限位信号，则系统自动报错，不能加高压。若有限位信号，可以加高压。点击RF ON开关，系统开始给行波管加电。此时软件采集两支行波管高压电源参数，判断高压是否正常，出现故障时，自动切断高压电源，并报故障。加电正常后，延迟1S给前级固放加电。放大器正常工作后，监测输出口正反向功率，进行驻波比保护，当出现保护时，自动切断高压，显示故障信息。点击RESET按键后，可重复加高压。同时，软件监测电源、收集极和机箱温度，当超温时，进行相应的保护动作。当使用波导开关切换输出通道时，软件则需要判断高压状态，只有关闭时，才能进行切换，否则显示屏提示当前状态。

图4 软件流程图

3.2 液晶屏设计

液晶屏幕的状态显示界面需要显示高压开关状态、正、反向功率，两支行波管的阴极电压、管体电流、收集极温度、机箱内部温度、累计工作时间、波导开关位置信息。同时针对不同的故障，还设计了对应的故障显示界面。液晶屏幕选用迪文7寸DGUS屏，屏幕设计使用液晶屏配置软件DGUS V5.04[5]。各界面设计如图5所示。

图5 放大器状态显示界面及故障显示界面设计

4 控制系统调试过程与结果

系统完成后，利用Kingst LA2016逻辑分析仪对逻辑控制进行分析。如图6所示，当高压开时（低电平有效），两路高压控制信号同时开启（高电平有效），延时1S后前级固放供电（高电平有效）信号开启。高压关闭状态下，当波导开关切换信号（低电平有效）动作时，波导开关控制信号会进行对应输出（高低电平切换）。此外通过模拟系统发生的各种故障，对其保护功能进行了测试。当出现故障时，控制系统都能够对故障信号进行准确识别和显示，快速的作出保护动作，确保系统安全。将控制系统装机联调后，在软硬件的协同工作下，数据采集准确，放大器工作正常，取得了理想的控制保护效果。

图6 高压控制逻辑和波导开关控制逻辑信号检测

5 结束语

本设计采用了DSP和FPGA作为控制系统的核心，实现对双行波管功率合成放大器的控制与保护功能。该系统实现了对两支行波管电源的同时控制和波导开关的切换。本系统充分利用了FPGA的I/O端口资源，结合DSP的设计使整个系统硬件设计紧凑，响应速度快。同时本控制系统还具有较好的可移植性，对放大器控制系统设计具有一定的参考价值。整机测试表明，本控制系统运行稳定，满足双行波管功率合成放大器对控保系统的设计要求。

[1] 熊露，费树岷，向兵.黄军.基于DSP和CPLD的行波管放大器控保系统的设计[J].工业控制计算机，2015（4）：33-35.

[2] 杨宝龙，鄢兴俊.AD7656的串行技术[J].船电技术，2009（11）：48-51.

[3] 侯伯亨，刘凯，顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.

[4] 顾卫钢.手把手教你学DSP：基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.

[5] 北京迪文科技有限公司.迪文DGUS屏用户开发指南[Z]，2013.