1 引言
??? 隨著數(shù)字化電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，借鑒國外先進經(jīng)驗與先進技術(shù)推動我國電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢在必行。復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD )作為國外最先進的一代大規(guī)模數(shù)字器件，以其可靠性高和邏輯設(shè)計靈活的優(yōu)勢，在工業(yè)控制和軍事領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用。
??? 機載雷達對發(fā)射機控制與保護系統(tǒng)（以下簡稱控保系統(tǒng)）要求十分嚴(yán)格，不僅要求它具有完備的實時邏輯控制與保護功能，而且對其所處的環(huán)境溫度與振動條件也要求十分苛刻。基于CPLD技術(shù)的機載小型化控制與保護，采用了Lattice 公司的IspLSI1032-60LG可編程邏輯器件，工作溫度范圍從-55℃到125℃，抗振等性能較好；在設(shè)計過程中，應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)實現(xiàn)了對雷達發(fā)射機的實時與復(fù)雜邏輯控制，采用數(shù)字時間濾波技術(shù)提高發(fā)射機控保的I/O抗干擾性能；另外，由于CPLD具備良好的現(xiàn)場在線可編程能力，基于CPLD的控保系統(tǒng)對中小型發(fā)射機來說，在通用化、系列化、組合化應(yīng)用方面具有較高的推廣價值。
2 功能需求?
??? 控保系統(tǒng)是發(fā)射機系統(tǒng)的重要組成部分。其主要技術(shù)要求有：?
??? (1)完成對過溫、過壓、欠壓、真空度下降、管體過流、相關(guān)電源等的實時檢測。?
??? (2)對發(fā)射機進行預(yù)熱延時處理，預(yù)熱完成后，按順序執(zhí)行開高壓、開觸發(fā)、開激勵等過程。?
??? (3)為發(fā)射機調(diào)制器提供預(yù)調(diào)脈沖與前級控制脈沖。預(yù)調(diào)脈沖包括開啟脈沖與關(guān)斷脈沖，預(yù)調(diào)脈沖需進行邏輯保護，兩個脈沖不可同時為高電平。?
??? (4)實現(xiàn)對發(fā)射機定時信號的檢測，具有過Ｄ與過τ保護功能。?
??? (5)控保系統(tǒng)檢測到故障時，智能化關(guān)閉發(fā)射機。?
3 硬件組成?
??? 雷達發(fā)射機控保主要由CPLD、運算放大器電路、比較器電路、I/O接口電路、預(yù)調(diào)脈沖形成電路、控制及顯示電路組成。其硬件組成框圖如圖1所示。

??? 圖1中，高壓檢測電路將傳感器檢測信號進行放大，并比較產(chǎn)生過壓與欠壓的TTL接口信號送至CPLD，高壓信號為模擬量信號，以行波管（Travelling Wave Tube，TWT）發(fā)射機為例，高壓包括TWT的陰極高壓和收集極高壓；過流、過溫、鈦泵電流檢測電路分別提供CPLD過流、過溫、真空度等相關(guān)故障信號；接口電路主要接收雷達信號處理機提供的差分傳送開關(guān)發(fā)射機指令與工作定時信號等；顯示電路指示發(fā)射機故障信息和工作狀態(tài)信息。JATG接口提供CPLD的在線編程接口。另外，該控保電路還提供了調(diào)制脈沖隔離變壓器用+20V電源和電路元器件用±12V電源。
4 工作原理
4.1 系統(tǒng)邏輯設(shè)計
??? 基于CPLD的小型化控保電路核心器件為CPLD。系統(tǒng)采用4MHz晶振作時鐘基準(zhǔn)脈沖，由CPLD進行數(shù)字計數(shù)產(chǎn)生特定的時序關(guān)系，根據(jù)控制信息、發(fā)射機工作狀態(tài)和故障信息進行綜合評估，控保系統(tǒng)將各故障信息進行邏輯處理，產(chǎn)生故障結(jié)果，參與各節(jié)點的控制，實時保護和控制發(fā)射機開關(guān)機過程。
??? 發(fā)射機控制與保護邏輯關(guān)系如圖2所示。指令信息包括開關(guān)高壓指令與開關(guān)調(diào)制指令，調(diào)制器用定時信號有兩組，一組為開啟脈沖，另一組為關(guān)斷脈沖，前級激勵信號控制導(dǎo)前脈沖形式。

4.2 上電復(fù)位與延時
??? 控保上電復(fù)位十分重要，這里采用的是硬件外部復(fù)位與CPLD的邏輯處理復(fù)位。其復(fù)位電路如圖3所示，RESET來自于外部RC復(fù)位信號，當(dāng)時鐘穩(wěn)定后，CPLD內(nèi)部產(chǎn)生一個復(fù)位信號使得各電路中的D觸發(fā)器復(fù)位，將計數(shù)器同步清零。由于電路在上電初始階段各I/O口電平均處于暫態(tài)，沒有進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，這個過程實際上也是等待外圍I/O電平建立穩(wěn)定。

4.3 過D、過τ保護
??? 過D與過τ保護，即，過占空比與過脈沖寬度保護。當(dāng)出現(xiàn)過D與過τ故障時，立即關(guān)斷激勵與觸發(fā)，以保護TWT等關(guān)鍵性器件。其檢測與保護在該系統(tǒng)中是比較難的，脈沖寬度與脈沖重復(fù)頻率可變這一特點，使得信號時序關(guān)系實時處理也比較復(fù)雜。而過D與過τ保護原理比較簡單。這里舉例加以說明。
??? 假設(shè)過D保護最大占空比為12.5%，過τ保護最大脈沖寬度為310μs。圖4(a)所示給出了待測的脈沖波形，占空比D等于τ/T，圖中τ1不等于τ2，T1不等于T2。

??? 用于檢測的基準(zhǔn)時鐘為4MHz，CPLD從脈沖上升沿電平翻轉(zhuǎn)開始計數(shù)，當(dāng)電平下降沿翻轉(zhuǎn)后停止計數(shù)并鎖存數(shù)據(jù)DATA1，所計數(shù)據(jù)為τ的值，它們的分辨率為1/4MHz，誤差為±0.25μs。將鎖存的數(shù)據(jù)進行數(shù)字比較，當(dāng)DATA1大于310/0.25即1240時，發(fā)生過τ故障。這里采用ABLE硬件描述語言設(shè)計了1240數(shù)字比較器，程序如下：

?? equations?
?? OUT=(I>=^d1240)；?
?? END

??? 脈沖信號上升沿觸發(fā)D觸發(fā)器，產(chǎn)生周期脈沖波形如圖4（b）所示，當(dāng)圖4(b)中電平為高時對周期T1進行計數(shù)，為低時對周期T2進行計數(shù)，電平每發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，鎖存周期數(shù)據(jù)DATA2轉(zhuǎn)入下一個周期計數(shù)。采用圖4(a)脈沖波形上升沿作適當(dāng)延時后的波形，用于數(shù)字比較器比較的觸發(fā)條件，當(dāng)8倍的DATA1大于DATA2時，即發(fā)生過D故障。當(dāng)過D/τ故障連續(xù)出現(xiàn)一定次數(shù)后，確認(rèn)為故障，輸出相應(yīng)故障信號。過D/τ保護邏輯框圖如圖5所示。圖6給出了過D/τ保護實時仿真所得的仿真結(jié)果。
4.4 I/O接口的抗干擾處理
??? 真空電子管發(fā)射機由于具有高壓、大功率的特點，對于低壓控保電路而言，具備較高的抗干擾能力十分重要。IspLSI1032-60LG型CPLD本身的抗干擾能力較好，由于CPLD的最大工作頻率為60MHz，外部微小干擾信號對于CPLD來講，如不對I/O接口信號作數(shù)字濾波處理，CPLD將認(rèn)為這是有效信號參與邏輯判斷，實際上，對發(fā)射機的控制是不利的，會引發(fā)故障虛警，若錯誤地處理故障虛警信息，關(guān)閉發(fā)射機，則有可能使得本次試驗失敗，造成損失，以往應(yīng)用小規(guī)模的集成電路的控保就存在類似的問題，并且很難解決。
??? 應(yīng)用CPLD技術(shù)，解決抗干擾問題應(yīng)相對容易，圖7給出了實際應(yīng)用中的數(shù)字濾波技術(shù)原理圖，由4MHz信號進行分頻計數(shù)產(chǎn)生周期為0.25μs ×256×256≈16.4ms的時鐘信號，若故障連續(xù)出現(xiàn)超過8個脈沖，則認(rèn)為是真實故障，而干擾信號不會造成故障信號輸出。

??? 處理控制信號采用同樣的原理，當(dāng)確認(rèn)控制信息有效時，進行相關(guān)操作。?
5 結(jié)束語
??? 經(jīng)試驗測試，上述控制與保護硬件電路和軟件的設(shè)計，具有較好的實時控制能力，在復(fù)雜的保護邏輯面前表現(xiàn)出了優(yōu)越性。基于CPLD的控保系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點，有較高的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻

1 趙不賄,等 .在系統(tǒng)可編程器件與開發(fā)技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2001
2 劉篤仁, 楊萬海 . 在系統(tǒng)可編程技術(shù)及其器件原理與應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999
3 楊軍.單片微機用于某雷達發(fā)射機的控制與保護.現(xiàn)代雷達，2001（23）
4 顧巨峰.基于可編程邏輯器件（Lattice）的多功能數(shù)字頻率計.電子工程師，2002（1）