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[资料] 便携式雷达电源检测维修系统设计

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发表于 2022-2-28 15:25:07 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
摘要:针对某大型相控阵雷达装备电源系统维修过程中型号多、数量大、维修周期长、检测维修难的问题,设计了一种便携式电源检测维修系统;该系统由 FPGA 核心板、数据采集板、ePC一K70-Lite-L 一体化模组组成,集成维修人员故障维修经验,通过数据处理及故障诊断软件分析采集的电源数据,最终实现对多种类电源故障的快速检测维修;该系统可对该型雷达 3大类13 种电源实现在线控制、参数读取和赋值,最多同时可对7组电源参数实现在线检测,测试时间由 5分钟缩短到 10秒内,电源检测准确率达 99%以上,不依靠外接电源可连续工作达5小时以上;本系统投入使用4年以来,运行稳定、易于操作维护,检测维修多种类电源达 800余次,极大提高了装备的自主保障能力和维修效率,提升了装备的任务执行成功率。

大型预警相控阵雷达是一个国家综合实力的重要体现,是各大国争相发展的战略力量。而大型相控阵雷达分系统多、设备量大、运维难度高,也给一线装备保障人员提出了很高的要求。大型相控阵雷达中的各分系统为保证正常工作通常需要配备多种型号电源,在实际工作中因电源种类繁多、数量庞大、测试困难、不易拆装、返厂维修周期长,且故障定位比较困难,给装备维修工作带来诸多不便,不利于雷达系统作战效能的充分发挥。因此能够快速对电源系统进行故障定位,完成对故障电源的自主维修显得尤为重要,是装备保障工作的一个重要工作。
大型相控阵雷达为保证较大的探测距离和较高的探测精度,发射功率是一个重要性能指标,其发射峰值功率可达兆瓦级,配备的 T/R 组件数量少则上千,多则上万,为T/R 组件中功率放大器提供能量的电源数量同样庞大。各分系统中为译码器、移相器、低噪声放大器、各种传感器和刀片式插箱供电而配备的电源也有多种型号。雷达中用到的航空电缆插头均输出多种电压,且此航空插头管脚多且密集,测试难度大,测试操作中存在一定危险性。
本文采用"FPGA+ARM"的硬件架构作为通信控制中枢,与自主研发的 A/D数据采集板和通用化 ePC一K70 一Lite一L一体化模组配合完成某型雷达多种电源的测试工作,构建了一套手持便携式电源诊断维修系统。实际使用中,可对某型雷达3大类 13种电源实现在线控制、参数读取和赋值,可实现同时对一个航空插头内最多8组电源参数的检测,测试时间由原来的 5分钟缩短到 10秒内,电源参数检测准确率达 99%以上,依靠其自身供电连续工作达 5小时以上,达到现场对电源进行快速故障诊断、定位和维修的目标,提高了自主维修能力和维修效率,缩短了电源类故障的修复时间。

1、系统组成与工作原理
该便携式电源检测维修系统主要由FPGA核心板、电源测试采集板、ePC一K70—Lite—L一体化模组、电池及配套测试连接电缆组成,除测试连接电缆外其它设备均安装在同一个小型机箱(30cm×20cm×8cm)内,系统设计框图如图1所示。丰富的硬件资源结合灵活的数据分析及故障诊断软件,在人机交互界面的调度下,充分利用剪裁式操作系统的低功耗、稳定性和灵活性。
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该电源检测维修系统通过 ePC一K70-Lite—L一体化模组内运行的数据分析处理及故障诊断软件的人机交互界面启动电源测试任务,一体化模组通过 RS一485 总线发送采集控制指令到 FPGA 核心板。首先,设置 FPGA 核心板数据采集模块工作状态,采用专用测试电缆将多组被测数据同时传输至机箱,完成采集和量化后,经 SPI总线从电源参数采集与 A/D转换模块获取测试数据,送 FPGA核心板内进行数字滤波处理,最后再传输到 ePC一K70-Lite一L一体化模组内的数据分析及故障诊断软件完成可监测组合电源的参数读取、诊断、修改和故障定位维修。
因大型雷达电源数量庞大,通常会在电源内部设置地址码,以方便对其位置进行索引。而在实际使用过程中,由于器件损坏、备件更换等原因,导致新安装的电源内地址码与实际位置不符,需要及时进行修改,避免因地址码错误造成装备电源检测故障。另外,可监控电源内各参数根据比例偏移函数(K、B值)会对采集到的数据进行修正以显示真值,由于出厂设定或受恶劣电磁环境影响,会造成检测到的值与真值不符,造成电源故障检测的误判。在人机交互界面设置正确的地址码和合适的 K、B值,通过RS一485通信总线可在线实现地址码和 K、B值的读取和重新赋值,提高了电源监测的准确性,有效提升维修效率,降低维修复杂度,可满足电源测试通用性、灵活性、即插即用的要求。

2、硬件设计方案
本系统主要功能模块全部放置在一个小型机箱内,采用4块 2000 mAh 的可充电锂电池(型号∶68750)供电,续航能力大于5小时,可满足日常检修需求。
2.1 基于 FPGA的自适应数字滤波核心板设计
某型雷达天线楼内电磁环境恶劣,对电源参数采集有一定影响,特别是对低纹波电源数据采集影响较大,严重时会导致性能已经有所下降的电源不能及时发现,形成误判,造成潜在故障隐患。通过对现场干扰信号监测和分析可知,主要干扰源为雷达工作频段的副瓣信号和 10 kHz的PWM(pulse width modulation)信号,如图2所示。
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为去除干扰对电源测试的影响,常用的软件滤波算法对 PWM信号类型和周期性脉冲类型的干扰处理效果不佳,而数字滤波算法具备较高的精度和稳定性,可根据应用场景更改系统函数,灵活性高,在 FPGA中容易实现。通过选择合适的FIR 滤波器系统函数,可有针对性地过滤上述特定干扰信号,具有较好的滤波效果,满足在复杂电磁环境下电源参数精密测量的需要。利用MATLAB工具箱编写滤波器函数,生成了由恒定电平、10 kHz的 PWM 信号、脉冲(100 Hz的占空比为2%的脉冲信号)调制的中心频率为雷达工作频点的线性调频信号的混合信号,如图 3 所示。
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为获得最佳滤波器性能,通过对比观察输入输出频谱,综合考虑处理速度和效果,最终确定滤波器级数为 18,截止频率为 200Hz。滤波效果如图4所示。
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FPGA核心板选用 Altera 公司Cyclone 系列 FPGA 芯片作为核心芯片,其具有可配置 FIR 滤波器的 IP 核。选择使用矩形窗函数的 FIR Compiler V13.0的 IP核,根据仿真结果,完成滤波器参数配置,将采集的数据进行滤波处理,其信号处理流程逻辑框图如图5。
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当便携式电源检测维修系统工作时,由一个 20 MHz的高稳晶振为 FPGA提供工作时钟,时钟分配模块采用FP-GA 芯片提供的时钟分配解决方案,利用其内部锁相环为各功能模块配置时钟。FPGA核心控制板通过 RS一485 总线与ePC一K70-Lite一L一体化模组进行交互,一体化模组向 FPGA核心板下发被测电源标准配置参数,经 FPGA 译码后配置内部资源,选通所需测试电源对应的接口,而后开始进行电源数据采集。将采集到的并行数据存入输入缓冲,在系统时钟调度下完成串并转换,在 FIR滤波器 IP 核中实现数据分组的滤波处理后,最后将分析处理完的数据传至输出缓冲,并最终传送至数据分析处理及故障诊断软件进行数值分析和故障诊断定位。

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