FPGA在雷达发射机系统中的应用

荣大伟 陶小辉 李庄 姜力晖 曹锐

1.中国电子科技集团公司第三十八研究所； 2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室

一、引言

雷达发射机工作在高功率、强电磁干扰的环境中，相对来说发射机监控电路又是敏感度较高的小信号电路，因此发射机监控系统的安全、可靠地工作至关重要。随着新型控制器件的不断问世，发射机监控技术也取得了突飞猛进的进步，发射机的监控电路正在向高度智能化、集成化、自动化方向发展。近年来，随着CP LD (复杂可编程逻辑器件)和FPG A (现场可编程门阵列)等数字器件的更广泛使用，可以实现发射机系统中的时序、组合等一些复杂的逻辑功能。FPG A器件的规模比较大，具有可编程和软件功能容易改动等特点。因而在可编程门阵列芯片及外围电路不变的情况下，只需改变芯片内部的程序，就能实现一种新的功能。

本监控系统针对三种型号固态发射机的监控系统，由于每种发射机的需求：控制信号、故障检测及通信接口的数量和类型均不相同，因此对监控系统采用模块化设计。综合三型的输入输出信号，采用最大化的接口类型和数量，实现硬件电路的统一设计。不同发射机之间的功能区别通过软件编程来实现。

二、硬件设计

根据系统任务要求，本监控系统主要完成以下功能：

（1）通过串口从上位机接收控制信号；

（2）通过并口从系统监控接收导前和门套等时序信号；

（3）通过并口接收发射机系统内部各设备的状态信号；

（4）通过串口上传发射机系统内各设备的状态信号；

（5）通过并口对发射机系统内各设备进行开关机控制；

（6）本地控制和状态显示。

本文中的发射监控系统的功能框图如图1所示。

图1.发射监控系统框图

（一）输入输出电路

整合三型发射机最大接口需求量：输入的控制信号和状态信号，输出的控制信号和状态回馈信号，其中输入信号和输出信号见如下表1：

表：发射监控输入、输出信号表

从上表分析，信号主要有几种类型：串口的收发信号、TTL信号和差分信号。对于单端的TTL信号的输入和输出，直接通过驱动电路，与FPGA的管脚相连接。

图2.单端信号输入

图3.差分转单端电路

由于风机的控制电平是12V，因此选用了光电耦合器进行了电平转换。

图4.电平转换电路

（二）FPGA器件选择

根据I O接口数量和成本综合考虑，本系统选用了EP3C25F256C8芯片。FPGA的程序下载和通信接口配置见图5：

图5.FPGA配置电路

（三）电磁兼容设计[1]

固态发射机相对真空管发射机的工作电压下降到48V，但其电流却高达70A，电磁环境还是比较恶劣的。为了提高监控的抗干扰能力，在与发射机内部相连的电路中串入滤波器。各类电源之间增加磁珠、电解电容和陶瓷电容滤波，减小纹波及相互之间的干扰。在电路板制版时，将电容放在电源管脚附近。将模拟地和数字地分开设计，并整层铺设，增大电源面积，增强抗干扰能力。

除了硬件系统中增加了抗干扰措施，在软件中对易受干扰的门套信号进行三级D触发器触发，过滤掉干扰信号，对脉冲整形后再进行其他的处理。

三、软件设计

所有的控制信号和BITE信号进入FPGA后，将进行相逻辑控制、故障处理和串口通讯三部分主要功能。

（一）串口通讯

发射机监控系统与系统监控的通讯通过RS422[2]进行信号传递：接收来自系统监控的控制命令和将发射机的工作状态反馈给主监控。二者通过约定的协议进行信号打包和解析。

根据约定协议，将接收到的控制信号解析后送往控制模块，同时将发射机各个设备的BITE信号按照协议字节的定义打包上传给主监控。图6为串口的收发配置模块。

图6. 串口收发模块

（二）逻辑控制

发射系统中的控制设备有：前级组件、末级组件、射频电源、风机电源和风机系统几大部分，根据命令发出为上位机还是本地按键选择相应的电源和调制信号的加载，详细工作流程见图7。

图7.发射机工作流程

（三）故障处理

发射机故障主要有：组件故障、门套故障、电源故障和风机故障，组件故障和电源故障从设备的BITE故障检测电路直接送入，不需要做其他处理。门套故障对门套信号进行相关的算法检测[3]，可以产生过脉宽故障和过工作比故障，该故障的优先级别高，需要与射频调制信号关联，当此故障发生时，需立刻切断射频信号。

考虑到风机工作的模式，其故障输出需要延时10秒，否则会影响风机的正常工作。

四、总结

本系统同时在三种型号发射机产品中安全运行10000小时以上，发射监控系统工作稳定。由于FPGA具有较大的单元，输入输出接口多，即轻松地实现复杂的逻辑功能，并通过与上位机实现串口通讯，大大减少分立器件和接口电路的数量；又能同时满足多型发射系统的需求，形成模块化设计。在电磁兼容设计中，借用以前的产品设计经验，从软硬件两方面同时加强抗干扰措施，克服了小信号抗干扰能力差的缺点，大大提高了电路的稳定性和系统工作的可靠性，从而为缩短发射机研制周期、缩小发射体机和提高产品性能奠定良好的基础。