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军事装备测控技术
计算机测量与控制 2021 29(5)Computer Measurement & Control
文章编号：1671 - 4598(2021)05 - 0141 -05 DOI ：10.16526/jki.11 — 4762/tp.2021. 05.028 中图分类号：TP277 文献标识码:A
刘健鹏，刘明通，杨鹏，沈梁，武翔
(中国人民解放军61191部队，杭州310023)
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 —K70 — Lite —L —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。
核工业北京地质研究院
关键词：雷达；组合电源；故障诊断；Qt/embedded ； 一体化模组
Design of Portable Radar Power Detection and Maintenance System
Liu Jianpeng , Liu Mingtong , Yang Peng , Shen Liang , Wu Xiang
(Unit 61191 of the Chinese people's Liberation Army, Hangzhou 310023 , China)
Abstract : Aiming at the characteristic of multiple models , large quantity, long maintenance cycle, dificult detection and mainte nance in the testing and maintenance process of a large phased array radar , a portable power detection and maintenance system was de
signed to solve these problems. The system is composed of an FPGA core board , a data a
cquisition board and an ePC 一 k70一lite — L integrated module. According trouble clearing experience of maintenance, analyzing the collected data of fault diagnosis software, fast detection and maintenance of multiple kinds of power supply failure are supported The system can realize online control ， parameter
readingandassignmentof13powersuppliesofthreetypesofacertaintypeofradar ， andcanrealizeonline monitoringofupto7
groupsofpowerparametersatthesametime Thetesttimeisshortenedfrom5 minutestolessthan10seconds ，andthepowerdetec-
tion accuracy rate lsupto99% , without relying on external power supply , work continuously for more than 5 hours. Since the sys tem has been put into use for 4 years ， it has been stable in operation and easy to operate and maintain Ithastestedandrepairedvari-
ous types of power supplies for more than 800 times , which has greatly improved the equipment's independent support capability and maintenancee f iciency ， andimprovedthesuccessrateofequipmentmissionexecution
Keywords : radar ； combined power ； fautt diagnosis ； Qt/embedded ； integrated module
0引言
大型预警相控阵雷达是一个国家综合实力的重要体现,
地球物理勘探技术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岀 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⑴，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岀多种电压，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 —K70
— Lite — 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「⑵。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［3］、 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。
收稿日期：2020 -10 - 10；修回日期：2020 - 11 - 17.
作者简介：刘健鹏(1982 -)，男，安徽界首人，硕士，高级工程师，主要从事装备技术保障方向的研究。
引用格式：刘健鹏，刘明通，杨鹏，等.便携式雷达电源检测维修系统设计［］.计算机测量与控制，2021 ,29(5)141 -145.
・142・计算机测量与控制第29卷
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—K70—Lite—L—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 X20cmX8cm）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。
图1便携式电源测试仪系统设计框图
该电源检测维修系统通过ePC—K70—Lite—L—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—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⑷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—K70—Lite—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—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2000mAh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10kHz的PWM（pulse width modulation）信号，如图2所示。
图210kHz的PWM干扰信号
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、10kHz的PWM信号、脉冲（100Hz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。
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。
FPGA核心板选用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片作为核心芯片[5]，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。
当便携式电源检测维修系统工作时，由一个20MHz的高稳晶振为FPGA提供工作时钟[7]，时钟分配模块采用FPGA芯片提供的时钟分配解决方案，利用其内部锁相环为各
第5期刘健鹏，等：便携式雷达电源检测维修系统设计・143・
q p o p n 4f u
詈Oi --------------------------------------------------20..............j .................|...............j .................
-40...............\...............\................\................-60...............j ...............t ...............i ..............-
-so |.........\...........i ...........i ...........
_100 ---------i ------------------------i ------------0 5 10 15 20
Frequency/kHz
Frequency/kHz
_____
i ....
5
10 15
20
图4滤波效果
图5 FPGA 核心板设计逻辑框图
功能模块配置时钟。FPGA 核心控制板通过RS — 485总线 与ePC —K70 — Lite —L —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。
2. 2电源参数采集及A/D 转换电路设计方案
电源参数采集及转换电路主要完成多种类电源参数的
采集与转换功能⑻，其采集的速度及精度直接影响到整个
测试设备的工作效率和性能。为了能够使后端A/D 转换电 路得到稳定增益，选取Ad8664芯片，它采用ADI 公司的
DigiTRim []调整技术，四路轨到轨输出、单电源放大器,
具有低输入偏置电流、低噪声、低失调和宽带宽等特性组
巍山打歌合优势 。 其硬件设计框图如图 6 所示 。
图6电压信号采集及转换电路设计框图
某型雷达电源维修中，在一个航空插头内最多需对8
组电源进行同时检测，故A/D 转换电路选用MXA1270芯 片，MXA1270是8通道、多量程双极性输入、串行输出、
逐次逼近型12位A/D 转换器，最高采样率为110ks/s 。在 单+ 5V 电源供电下，可通过编程实现多种不同量程，满足
电源制式和测试精度的需求。FPGA 核心板通过SPI 总线完
成对ADC 的配置，12位测试量化数据的读取并传送至数据 分析模块进行后续处理分析。
3系统运行环境部署和软件设计方案
为保证设备的便携性及长续航特性，系统各子模块需
尽量降低功耗， 使 系 统 能 够 在 有 限 电 量 条 件 下 获 得 最 大 续 航，同时保证操作的便捷性，一体化模组需提供不小于800
* 600分辨率显示，并保证触摸输入及良好的用户交互体
验。经实际测试，运行了根据需要裁减与移植的Linux 系统
后 ， 配备基于 ARM9 的 低 功 耗三星 S3C2410 芯片核心板的 一体化模组的功耗可控制在15 W 以内，符合系统低功耗 的要求 。 因 S3C2410 芯 片 主 频 仅 为 400 MHz ， 为 保 证 用 户
体验，操作系统摒弃了 GTK 图形环境，选用了基于直接帧 缓冲的Qt/embedded 作为图形接口。其应用程序可以直接 写入内核帧缓 冲 区 ， 通 过 Qt /embedded 开 发 的 交 互 软 件 在
占用很少系统资源的前提下，完成了在S3C2410上的移植
与部署[0]，实现了较完善的人机交互环境。
3. 1基于ARM 的嵌入式Linux 系统裁减与配置
一体化模组内运行的系统移植基于arm — linux —gcc —
4. 3. 2编译环境主要分为两个部分。
盛泽疫情1） BootLoader
的 移植：
ARM 处理器启动主要过程主要分为Sage1和Sage2
两个阶段， 如图 7 所示 。
上电复位
i ” （基本硬件初始化） （初始化硬件端口 ） _ ； _ ；_ 1 一 （为Stage2准备RAM 空间）平台设计方案
1 （检测系统内存映射）
1 _ 1 _ @Stage2代码复制到RA0（g 制内核和文件系统映® |
i （设置堆栈指针^
@置内核启动参9
1 _ ;_ （转到Stage2代码入口） （转到内核代码入口 ）
Stagel Stage2图7 ARM 启动过程
S3C2410处理器针对Linux 可配套使用的BootLoader
主要为vvi 及其各个功能增强版。为测试任务部署和方便
后期开发，系统选择了具备外接SD 卡自动升级功能的vvi 版本，根据核心板引接跳线情况，设置了根据跳线连接状
・144・计算机测量与控制第29卷
态自动升级系统的选项，经过编译后使用JTAG线缆烧录
到了核心板中。
2)Linux的移植：
Linux移植主要包括内核版本的确定，内核编译环境的
搭建，内核与驱动的裁剪，Ram Disk的制作，下载测试等
几个阶段。
(1)确定内核版本。由S3C2410处理器决定了选用内
核的最高版本为2.6.X，根据官方手册及Linux内核手册建
议，选择了适配性最佳的2.4.24版本。
(2)搭建内核编译环境。移植前需要在宿主机上建立
ARM的交叉编译环境，宿主机选用了Ubuntu-10.04-
LTS版本，主要用到的开发工具包括3个部分：binutils、
gcc、glibc。其中，binutils是二进制文件的处理工具；gcc
是编译工具；glibc是链接和运行库。所有需要用到的工具
均使用处理器手册建议官方二进制版本：binuis—2.112,
gcc—2.95.3和glibc—2.2.3[1]。
(3)裁剪内核与驱动。Linux内核是一个模块化结构,
其任何功能都可以选择静态加载、动态加载或不加载的方式，进而来控制内核大小以适应不同系统运行环境。在S3C2410核心板中由于硬件环境已经确定，且系统资源有限，使用了menuconfig工具对内核进行深度裁剪与定制。
韧性剪切带(4)制作RamDisk。Ram Disk实际上是把系统内存划出一部分当作存储器使用。对于操作系统来讲内存的存取速度远远大于Flash，所以嵌入式系统中根据实际情况需要把常用应用程序都安装在Ram Disk的驱动器中，然后用内 存的速度运行它。
ARM Linux采用Ram Disk的方式来装载根文件系统，所有在运行内核之前，需要先制作Ram Disk，将必须的文件和设备加入到Ram Disk中，当内核启动后，会从指定地址去读取根文件系统。
(5)下载测试。将制作完成的内核和Ram Disk文件存入SD卡通过BootLoader的自动升级功能下载到核心板即可运行。
3.2数据分析处理及故障诊断软件
数据分析处理及故障诊断软件基于嵌入式Linux操作 系统，使用C++语言在跨平台集成开发环境QT Creator 上完成设计开发。使该软件具有良好的跨平台工作能力和人机交互界面，可方便的进行测试数据查询和关键参数烧录，并且占用极少的系统硬件资源[2]，保证了主体测试任务的顺畅开展，软件主要界面截图如图8所示。
数据分析处理及故障诊断软件按功能划分主要由电源检测分系统和参数烧录分系统组成。其中电源监测分系统主要包含测试任务规划模块、数据采集模块、数据处理模块。参数烧录分系统主要包含地址测试模块、KB值测试模块、保护点测试模块。最终由综合故障诊断模块结合集成的维修经验对被测电源的故障诊断结果。该软件设计框图如图9所示。
(b)参数烧录界面截图
图8软件界面截图展示
图9软件系统设计框图
4实验结果与分析
雷达接收系统中，需要低噪声放大器放大微弱的目标反射回波信号以提升信噪比，进而完成后续的处理。而为低噪放提供低纹波4.6V直流电源的质量将直接影响雷达目标检测的性能。经过实际测试可知，
本系统对低纹波电源的实测数据相比直接测试可获得较高的准确度。
如图10所示为对正常的低纹波4.6V直流电源在没有滤波处理和有滤波处理下，连续采集200组数据结果对比曲线。由图10可知，经过滤波处理的采集电源数据，可准确反映电源的工况，不会产生野值，为电源状态分析和故障定位提供了准确的数据支撑。
5结束语
本文设计的某型雷达便携式电源检测维修系统将电源参数测试硬件电路与基于ARM的嵌入式Linux操作系统相结合，综合了某型雷达多种电源的测试经验和故障判别方法，通过良好的人机交互软件，完成了多种电源的现场快速测量、故障诊断定位和参数在线修改烧录，解决了装备
第 5期刘健鹏，等：便携式雷达电源检测维修系统设计・145・
有无滤波采样结果对比
—直接釆样结果—滤波后采样结果
图10低纹波46V电源在有滤波与无滤波下结果对比
现场检测维修不便的难题，提高了装备的自主维护维修能力和维修效率，该系统至今已在某大型地基相控阵雷达装备阵地得到应用。系统在使用过程中，设备软件运行稳定，测量结果准确，缩短了维修时间，提高了维修效率，达到了预期效益，对同类大型雷达装备的电源类器件的测试和维修工作提供了重要的经验借鉴和方式方法。
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道作为传输媒介，极大地提升了数据传输速率，降低了信号阻抗与损耗，采用中间节点预测技术，以数据作为判定依据，通过实验证明了设计系统的控制精度较高，控制耗时较短，具有一定的有效性。
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