基于CPLD技术的某雷达发射机控制箱设计_梅广辉.pdf

总第345期1引言随着现代电子技术的不断发展，利用 FPGA/CPLD技术进行数字系统的设计已经被广泛地应用于通信、航天、医疗、国防等领域12。与传统的电路设计方法相比，FPGA/CPLD技术以功能强大、集成度高、速度快、开发周期短、制造成本低等特点受到电子设计者的青睐3。利用FPGA/CPLD技术通过硬件和软件编程的方法设计和开发数字系统，极大地提高了研制效率、降低开发费用，在雷达及其相关产品研制方面不断普及46。某型火控雷达对发射机的操控只能依靠终端显控台来完成，如加低压、加高压、频率点转换、工作方式转换等。根据雷达使用需求，发射机和终端显控台不在同一舱室，且距离较远，所以在发射机检测维修时，需要有专人值守在终端显控台，对发射机进行操作和控制，这严重影响了对发射机操作的实时性和维修效率。本文参考其他发射机产品设计711，应用CPLD技术完成对“雷达发射机控制箱”的研制，使发射机脱离终端显控台也能正常工作，完全实现了发射机“本控”功能，极大地方便了该发射机的维修和检测，解决了发射机独立操控的难题。经过后期长时间使用验证，研制的雷达发射机控制箱性能较为理想，充分体现了CPLD技术在现代电子电路设计中的优越性。2控制箱设计的基本结构2.1设计思想控制箱的设计以CPLD为控制核心，最终目标为实现对某型雷达发射机的“本控”方式，即在脱离收稿日期：2022年9月14日，修回日期：2022年10月13日作者简介：梅广辉，男，硕士，工程师，研究方向：舰船装备维修。汪铭东，男，硕士，高级工程师，研究方向：舰船装备维修。邓超，男，硕士，工程师，研究方向：舰船装备维修。基于 CPLD 技术的某雷达发射机控制箱设计梅广辉汪铭东邓超（中国人民解放军92932部队湛江524016）摘要针对某型雷达发射机脱离终端显控台无法单独操控的问题，在CPLD技术的基础上实现了雷达发射机控制箱的设计。控制箱可产生发射机正常工作时所需的各种定时信号和控制信号，控制发射机的工作状态转换，起到了“终端显控台”的操作效果。控制箱在检测和老练发射机行波管的过程中，无需终端显控台的操作即可完成，具有较好的时效性和便捷性，可应用于日常发射机的检测和维修。关键词CPLD；雷达发射机；控制；电路设计中图分类号TN958DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.03.044Design of Radar Transmitters Control Box Based on CPLDMEI GuanghuiWANG MingdongDENG Chao（No.92932 Troops of PLA，Zhanjiang524016）AbstractFor the problem that a radar transmitter cannot be controlled independently from the terminal display console，thepaper achieves the design of radar transmitters control system based on CPLD.The system can produce the timing signals and control signals required for the normal operation of radar transmitter，the working state and the transmitter work are controlled，the system is similar by the terminal display console.The traveling wave tubes（TWT）of radar transmitter can be detected and experiencedwithout operation of the terminal display console，it is immediate and convenient，it can also be applied to daily detection and maintain.Key WordsCPLD，radar transmitter，control，circuit designClass NumberTN958舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 345 期2023 年第 3 期Vol.43 No.3214舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期终端显控台操作的情况下，完成对发射机低压、高压的控制、频率点的切换、工作方式的转换等，使发射机正常工作。该控制箱能够提供发射机正常工作时所需要的各种定时信号和控制信号，包括变频控制代码、电源控制、脉压与非脉压转换信号、触发脉冲信号、频率控制同步信号等，并设置各种操作指示灯，给各种操作以更直观的指示。控制箱设计总体框图如图1所示。图1控制箱设计总体框图2.2设计要求研制的控制箱要根据发射机实际工作情况，提供正常工作时所需的全部信号和操作指令，并能稳定运行，保证发射机行波管、高压部件等稳定工作。根据设计要求，控制箱主要实现以下功能：1）实现发射机低压、高压的接通和关断控制，并且提供急停开关；2）实现脉压与非脉压形式转换控制；3）实现五种形式的频率变换控制；4）提供频率控制同步信号；5）提供3种触发脉冲信号；6）在进行各种操作和指令的执行时实现相应的指示灯指示。根据以上设计要求和需要完成的功能，确定控制箱对外接口框图如图2所示。图2控制箱对外接口框图3硬件电路设计根据设计要求，控制箱硬件电路设计以CPLD芯片为核心，完成各种控制操作和信号产生。CPLD 采 用 Altera 公 司 MAX700 系 列 的EPM7128STI100，其本身具有 2500 个可用门、128个宏单元、8个逻辑阵列块、68个可用IO口、引脚间的逻辑延时为5ns12，并可通过工业标准4引脚的JATG实现在线编程，完全可以实现控制箱设计的需求。设计的硬件电路实物如图3所示，按照功能实现，硬件电路设计主要分为以下几个模块。图3硬件电路实物图3.1低压、高压控制电路低压、高压接通和关断控制是发射机正常工作最基本最重要的操作，控制电路工作原理主要是由CPLD采集按键信息，然后根据信息发出控制信号控制继电器动作，由电路输出控制信号控制低压、高压的接通与关断，控制发射机正常工作。低压控制电路比较简单，单一电路就可实现，硬件设计如图4所示。因发射机高压接通和关断操作比较复杂，控制信号是分开输入的，所以本控制箱在接口上为了与发射机保持一致，设计两个控制电路控制高压，如图5所示。3.2开关控制电路开关控制电路主要功能是由 CPLD 采集按键开关的按键信息，然后根据信息执行相应的指令操作。为了方便操作和功能需要，控制箱设计除电源外所有的按键全部采用无自锁按键，并加入按键防抖动电路增强稳定型，硬件设计电路如图6所示，当有按键按下时产生低电平信号。3.3CPLD输出信号驱动电路因为 CPLD 输出的触发脉冲和控制信号很微弱，无法实现长距离传输驱动负载电路，因此需要设计信号驱动电路，经综合考虑采取三极管3DK9H设计驱动电路，共完成8路输出信号驱动，经后期验证，驱动电路完全符合控制箱使用要求。215总第345期图6开关控制电路3.4指示灯驱动电路为了更直观理解控制箱的工作状态和发射机的工作状态，在进行任何的控制操作都需要有相应的指示灯进行状态指示，本设计采用最简单的发光二极管进行指示，但因CPLD输出的高低电平驱动发光二极管能力较差，故采用 SN74LS244 进行驱动，可保证指示灯的正常指示，电路如图7所示。4CPLD内部电路设计及仿真本控制箱采用Altera公司的Quartus开发平台对CPLD进行设计和仿真，软件提供了可编程片上系统（SOPC）设计的一个综合开发环境，是进行SOPC设计的基础。Quartus集成环境包括以下内容：系统级设计，嵌入式软件开发，可编程逻辑器件设计，综合，布局和布线，验证与仿真。控制箱CPLD开发采用原理图输入与VHDL语言相结合的方式，根据不同的设计需求采用不同的方式。4.1控制电路控制电路功能是根据输入的信息产生相应的控制指令，完成预定的功能操作，主要包括低压、高压的通断控制及脉冲与非脉冲转换部分。实现过程为由CPLD判断功能按键是否按下，然后发出相应控制信号控制后续电路以完成低压、高压的通断控制和脉压与非脉压转换控制，此部分功能主要采用原理图输入形式完成设计。4.2分频及信号产生电路分频和信号产生电路主要功能是产生频率控制同步信号和3种触发脉冲信号：触发脉冲1、触发脉冲2和触发脉冲3，此部分功能主要采用原理图输入形式完成设计。考虑产生信号的技术指标要求，设计 CPLD系统时钟为外接 50MHz晶振。首先，采用计数器和图4低压接通与关断控制电路图5高压接通与关断控制电路梅广辉等：基于CPLD技术的某雷达发射机控制箱设计216舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期比较器产生10MHz的脉冲信号，作为基准信号源，后分别通过分频电路进行分频操作产生符合技术指标的频率控制同步信号和 3 种触发脉冲信号。频率控制同步信号产生电路如图8所示。图7指示灯驱动电路4.3变频代码控制电路按照发射机接口要求，控制箱需输出3路可编码信号，控制雷达产生5种频率工作方式。变频代码控制电路的功能相当于状态机，输入5种频率控制信息，输出5种相应的控制状态。此部分功能主要通过VHDL语言编程实现，最终量化的功能模块如图9所示，acc 4.0 为信号输入端，aac 2.0 为信号输出端。图9变频代码控制电路图10所示为电路仿真结果，与设计要实现的结果一致，设计电路功能正常。图10变频代码控制电路仿真5结语本控制箱具有设计结构简单、成本低廉等优点，CPLD电路设计采用了“原理图+VHDL语言”的方式进行逻辑描述，使电路结构更加直观明了，易于修改。通过设计并将控制箱应用于实际工作当中，能很好地控制发射机正常工作，达到了预期的图8频率控制同步信号产生电路217总第345期设计效果，经实践证明本控制箱工作运行稳定可靠。参 考 文 献1吕栋腾.基于CPLD的步进电机控制系统设计 J.电子设计工程，2021（14）：80-83.2赵峰，赵佩怡.基于CPLD的高精度记录仪设计 J.现代工业经济和自动化，2021（8）：112-113.3周润景，苏良碧.基于Quartus的FPGA/CPLD数字系统设计实例（第2板）M.北京：电子工业出版社，2013.4王佳鑫.单片机与CPLD在雷达故障检测中的应用 J.中小企业管理与科技（中旬刊），2016（6）：146-147.5崔黄辉，贾连兴，高俊尧.某型雷达训练模拟器的设计开发 J.第17界中国系统仿真技术与其应用学术年会论文集，2016，17（4）：183-186.6熊露，费树珉，向兵，等.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，2015，28（4）：33-35.7刘波，程鸽.行波管打火机理及其外围电路防护方法J.雷达与对抗，2017，37（2）：60-63.8陈新，伍怀棋.试论雷达发发射机自动测试系统设计J.数字通信世界，2019（4）：138.9段平.栅控行波管发射机打火故障分析及抗打火措施J.现代导航，2022（3）：230-234.10王凯，程宝山，李小斌，等.某型雷达装备维修保障技术服务保障设备的研发 J.火控雷达技术，2022，51（2）：97-101.11赵峰，赵佩怡.基于CPLD的高精度记录仪设计 J.现代工业经济和信息化，2021，8（44）：112-113.12EPM7128SLC Datasheet Z.Altera,2002.transfer via microwaves J.IEEE Journal of Microwaves，2021，1（1）：218-228.2Landy N I，Sajuyigb