一种大功率微波开关原位检查仪设计

2022-07-06管亮中胡华强

舰船电子对抗 2022年3期

管亮中 ,胡华强 ,周刚

(1.空军工程大学,河南信阳 464000;2.解放军95965部队,山东德州 253000)

0 引言

电子战装备覆盖频率广,空域大,为了实现大功率、宽频带的电子干扰,大多采用空间多波束功率合成技术,在覆盖的频段范围内分别设置多个发射机。为此,每个发射机配套设置多个大功率微波开关。以某型任务系统为例,其大功率微波开关多达60多个。为了检测其微波开关性能,需要将任务系统显控装置和发射机同时加电,3～4 人同时配合,通过软件控制微波开关阵工作,采用人工监听的方式判断开关是否闭合或者断开。这种检测方式一方面消耗了发射机核心器件行波管的寿命,另一方面结果不可靠、检测效率低,难以满足部队战训任务需求,为此,急需研制一种便携式原位检查仪,以便1个人即可完成其性能检测并记录结果,提高任务系统的保障效率。

1 理论分析

大功率微波开关主要是指SP2T、SP3T 开关,其控制信号是直流28 V。SP2T 微波开关有1根控制线,如果控制线接地,微波开关通道1和公共端闭合;如果控制线接直流28 V,通道2和公共端闭合。同理,微波开关SP3T 有2根控制线,也采用同样的控制方法。每个微波开关除了以上的控制信号输入端口、微波信号的输入/输出端口,还有相应的状态监控信号输出端口。通过读取状态监控信号能够判断出微波开关的当前状态,其工作原理如图1所示。

图1 大功率微波开关原理图

通过以上的分析可以知道:SP2T、SP3T 开关阵列中每个开关的某种状态都有相应的控制和监测信号,如果能够对这些信号进行控制和回读,就能知道微波开关当前工作的状态,从而判定其是否能够正常闭合和断开。因此可以利用这个监测接口来对SP2T 和SP3T 开关阵列进行测试,通过研制控制电路来选择不同波段的开关阵列,利用软件给出检测结果并进行记录,从而达到快速检测和定位的目的。

2 原位检查仪设计

大功率微波开关原位检查仪主要包括高级指令微处理器(ARM)嵌入式系统、显示接口电路、触摸屏及显示器、开关驱动电路、信号采集电路、电源管理电路及配套测试电缆等,组成框图如图2所示。

图2 大功率微波开关原位检查仪组成框图

2.1 ARM 嵌入式系统

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。便携式原位检查仪选用的嵌入式系统是以Samsung S5PV210芯片作为处理控制核心,运行主频可高达1 GHz。该系统采用专业稳定的CPU 内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性;采用沉金工艺的七层板设计,专业等长布线,保证关键信号线的信号完整性。该嵌入式系统具有体积小、功耗低、运算速度快、中断响应时间短、支持实时多任务等优点。

2.2 显示接口电路

显示接口电路包括4线电阻式触摸屏接口和群创23.33 cm(7 寸)真彩薄膜晶体管液晶显示器(LCD),该LCD 为电阻式触摸屏,屏幕分辨率可达800×480,显示面积大,色彩还原度较高。由于市场上的货架产品显示接口普遍采用扁平线设计,可靠性较差,因此LCD 显示屏外部接口进行了定制,采用了可靠性较高的IDC40压线接口,从使用情况来看可靠性较好。

2.3 电源管理电路

电源管理是整个大功率微波开关原位检查仪设计的关键所在,根据指标要求,外部供电方式有交流220 V 和直流28 V,内部采用大容量锂电池进行供电,检查仪用电需求包括微波开关所需要的直流28 V、ARM 嵌入式系统所需要的直流5 V、开关驱动电路所需要的直流12 V 以及信号采集电路所需要的直流3.3 V,因此供电方式多样,输出电压范围跨度大,同时要满足连续工作时间不小于4 h的要求。

(1) 电池选择

在电池选择上,如果采用镍氢电池,其优点是电压可以直接做到直流28 V,容量大,但缺点也很明显,体积不能满足要求。为了保证设备的小型化要求,采用单位体积容量最大的锂电池是最佳方案,而目前市场上的锂电池可以做到直流12 V 或直流24 V,不能够直接使用,需要进行电压的二次变换。

由于要求连续工作时间不小于4 h,通过对耗电量进行分析,每个大功率微波开关切换时的静态电流为200 m A,峰值电流为400 m A,连续工作4 h耗电量不大于50 W。ARM 嵌入式系统(包括液晶显示屏)最大耗电电流不大于2 000 m A,连续工作4 h耗电量不大于50 W;驱动电路板和信号采集板4 h的最大耗电量不大于50 W,因此所选用的锂电池容量要不小于150 W。

综合考虑以上供放电需求,检查仪采用直流12 V容量20 Ah的锂电池,采用大电流保护板,放电电流可以达到5 A 以上,因此无论是在功耗上还是在放电电流上都可以满足要求。并且在电池盒设计时充分考虑拆卸的便捷性,电池盒外形如图3所示。

图3 电池盒外形图

(2) 升压电路设计

由于采用直流12 V 的锂电池,因此为了满足大功率微波开关测试的电压需求,需要设计直流12 V到直流28 V 的升压电路。在设计升压电路时,要满足输入电压范围宽、转换效率高及驱动电流大的要求。通过比较选择,升压电路采用XL6009-ADJ可调升压芯片,其输入电压范围可以达到4～40 V。通过调整外接电阻,可以使输出电压固定到直流28 V,既可以满足锂电池的升压要求,也能够直接采用外部直流28 V 进行供电,不需要再单独设计电源切换电路,升压电路原理如图4所示。

图4 升压电路原理图

(3) 降压电路设计

降压电路设计主要是满足ARM 嵌入式系统和信号采集电路板的供电需求,同时考虑到要直接采用直流28 V 进行供电,因此选择降压芯片时也要满足输入电压范围宽、转换效率高的要求,并且考虑到电源系统的稳定性,嵌入式系统和信号采集板采用分离供电方式,分别选择降压芯片XL1509-5 V 和XL1509-3.3 V,输入电压范围可以达到5～40 V,转换效率达到95%,其电路原理如图5所示。

图5 降压电路原理图

2.4 开关驱动电路

开关驱动电路用于控制大功率微波开关的闭合和断开,由于其工作电压为直流28 V,电流最大可以达到400 m A,因此在驱动电路设计时必须充分考虑满足大功率负载的要求,根据研制方案可以采用手动开关切换、自动光电耦合器切换以及继电器切换等方式。如果采用手动开关切换的方式,由于要满足8路SP3T 和4路SP2T 微波开关切换的要求,检查仪体积较大,并且测试时间长,效率低;如果采用光电耦合器切换的方式可以有效减小设备体积和降低功耗。但由于光电耦合器在高温时的可靠性难以保证,经过反复试验、选择,采用欧姆龙的双路继电器进行开关切换。其体积小,在直流30 V 的情况下电流可以达到2 A,完全可以满足大功率微波开关切换的要求。同时是双路切换,一路用来控制,另外一路可以进行检测。整个开关驱动电路由16个继电器及继电器驱动电路组成,电路原理如图6所示。

图6 开关驱动电路原理图

2.5 信号采集电路

信号采集电路主要功能是读取每个开关的闭合状态信号,按照1组SP3T大功率微波开关的测试需求设计,需要对24路信号进行检测。同时信号采集电路也要对电池电压、控制电压等电源信号进行实时监控,保证被测设备安全,因此信号采集电路还设计有模/数(A/D)变换电路,用于对电压信号进行变换。

(1) 开关状态读取电路

开关状态读取电路需要对24路状态信号进行读取,24路状态信号可以设置为TTL 电平。由于每次测试只需要读取1路状态信号,因此24路状态信号可以共用1路数字I/O 进行测试,只需要设计相应的状态信号切换电路即可。考虑到状态信号电流较小,并且是TTL 电平,采用多路模拟开关进行控制即可,电路原理如图7所示。

图7 开关状态读取电路原理图

(2)A/D 变换电路

A/D 变换电路主要对锂电池电压和大功率微波开关驱动电压进行监控,如果锂电池电压小于10 V,欠压指示灯就会点亮。在对微波开关进行测试时,开关闭合之前对DC28 V 进行检测,只有在标准范围之内才允许输出闭合控制信号,闭合信号输出之后,还需要对继电器输出电压进行检测,待这2个电压都在标准范围之内后,再读取大功率微波开关状态回线,这样做既可以保证大功率微波开关不会被意外烧毁,同时也能够确认测试结果的可靠性。A/D 变换电路的原理如图8所示。

图8 A/D 变换电路原理框图

2.6 控制电路设计

控制电路以C8051F020单片机为主体,主要对开关驱动电路和信号采集电路的工作状态进行控制,读取测试结果,然后通过通信接口上报测试结果,为了保证工作的可靠性,控制电路在硬件上设计有复位电路,软件上采用看门狗监控,保证系统可靠运行,其原理结构图如图9所示。

图9 控制电路原理框图

2.7 测试软件设计

检查仪应用软件采用Windows CE6.0操作系统开发完成,包括依附于操作系统环境的应用程序及相关驱动程序两部分。驱动程序包括显示驱动、通信接口驱动等,是系统软件和硬件之间的桥梁。应用程序是整个系统功能的最终执行者,利用模块化的设计思想,主要由测试设置、功能测试、辅助测试、结果管理及系统设置等组成,软件结构如图10所示。