基于FPGA对TR组件的保护电路的设计实现

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　　摘要：本文针对雷达天线TR组件的保护电路进行研究，利用FPGA实现对组件的电源保护、功率检波采集、温度采集、BIT汇总等功能，实现对组件BIT信息的实时采集，对组件起到更好的保护作用。
　　关键词：FPGA;TR组件;保护
　　中图分类号：TN958.92      文獻标识码：A       文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00
　　0 引言
　　 雷达天线中的核心部分TR组件，由于在使用过程中，会出现工作温度过高、异常、功放开关损坏、负载短路等异常现象导致组件损坏，最恶劣的情况下会引起组件组件大面积损坏，造成雷达天线失效。因此对组件的保护与BIT上传是很有必要的[1]。
　　 目前，使用硬件电路实现对组件的保护是最常用方法[2]，硬件电路的基本原理是利用开关元器件在组件异常时直接切断组件输入电压，但是上位机无法实时读取组件的BIT信息，也无法定位组件具体的故障，对组件的保护有一定的盲目性。
　　 利用FPGA的硬件开发平台实现TR组件的保护，并能够实时获取雷达天线TR组件的状态信息，便于进一步判断的具体故障，对TR组件的维护更有针对性，对组件起到更好的保护作用[3]。
　　1 组件的保护电路实现
　　 基于FPGA对TR组件的保护电路框图如图1所示，该电路架构包括：FPGA单元和FPGA外围电路，即电源检测电路、温度采集电路、CAN总线电路组成。FPGA通过IO口与外围电路连接，电源检测电路决定组件各类电压的加电顺序，并反馈给FPGA组件电压BIT信息进而判断电源是否正常;温度采集电路采集组件壳体温度后反馈给FPGA进而判断组件温度是否正常;FPGA内部汇总BIT信息后将组件地址信息一并打包通过CAN总线电路上报给上位机本地址的组件工作状况。
　　2 关键电路的硬件设计
　　2.1 电源保护电路设计
　　 电源保护电路设计如图2所示，FPGA加电以后加电顺序模块经过延迟运算后给组件所需各种电源逐级加电，保证组件上电安全可靠，组件正常工作以后，实时监测各路电压信息，并通过比较运算后反馈给FPGA，FPGA经过数据缓存，比较运算后判断电压是否正常并将信息传送给BIT数据汇总单元，出现异常时关闭电源使能信号停止电源工作。
　　2.2 温度检测电路设计
　　 温度检测电路主要由AD公司的数字式温度传感器AD7814组成，AD7814是数字式温度电压转换器，其内置温度传感器，10位A/D转换器及存放温度数值的寄存器。通过SPI串行总线与FPGA接口连接。FPGA经过读取传感器的寄存器的数值，得到精度为2℃的温度值（在2℃～125℃温度范围内），其功能框图见图3。
　　2.3 CAN总线电路设计
　　 CAN总线电路主要由CAN总线收发器和FPGA内部的CAN总线接口单元、CAN总线控制单元和CAN总线数据处理单元组成。如图4所示。
　　 CAN总线收发器ADM3053是具有隔离作用的CAN收发模块，极大的简化了收发器供电系统与组件电源的隔离设计，提高CAN总线的稳定性。
　　 FPGA上电以后，内部的CAN控制单元初始化设置好与上位机同步的波特率和ID，CAN接口单元与CAN总线收发器之间通过FIFO相连（11bit帧ID、64bit数据）。当接口单元收到有效数据帧后，存入其接收FIFO中，并通过CAN数据处理单元以并行的方式读取接收FIFO中的75bit数据，并进行解析。在发送回告数据帧时，CAN数据处理单元将地址信息单元采集来的地址信息和BIT数据汇总信息打包处理，并写入发送FIFO中，当CAN接口单元判断当前发送FIFO非空时，将数据发送。
　　3 测试结果及工程应用
　　 组件的保护电路根据工程应用进行设计，所用组件正常工作温度为-50℃-+70℃，工作电压为+8V，-5V（且要求-5V正常供电的情况下，才能供电+8V），并以500Kbps的传输速率与上位机通信。外界施加不同的温度，电压等条件，测试结果表明组件保护电路可以对组件起到保护作用。如表1所示。
　　 该组件保护方案已通过第三方测试，已在雷达天线上稳定运行。
　　4  结语
　　 利用FPGA的硬件开发平台实现TR组件的电源BIT信息、温度信息的采集并上传到上位机，让用户能够实时获取雷达天线TR组件的状态信息，便于进一步判断的具体故障，对TR组件的维护更有针对性，对组件起到更好的保护作用，有利于提升雷达天线TR组件的维护效率。
　　参考文献
　　[1]程丹，王长武.一种星载雷达T/R组件与波控单元连接设计[J].电子机械工程，2015，31（1）：32-34+64.
　　[2] 刘耀文，张俊.数字雷达阵面T/R组件故障定位方法研究[J].现代雷达，2017（9）：71-75.
　　[3] 张平，于鹏飞，叶锐.一种片式T/R组件的热电协同设计方法研究[J].机械与电子，2018（7）：13-16+35.
　　收稿日期：2020-03-11
　　作者简介：王正之（1987—），男，山东淄博人，硕士研究生，中级工程师，研究方向：电源与控制。
　　 Design and Achievement of Protection Circuit for TR module based on FPGA
　　 WANG Zheng-Zhi，HUANG Xiao-Yan，BAI Lu
　　 （Shanghai Aerospace Electronics Technology Research Institute，Shanghai  201108）
　　Abstract： This paper does the research on the protection circuit of the RADAR antenna TR component， and FPGA is used to realize the power protection function， power detection acquisition function， temperature acquisition function， BIT summary function and other functions of the component， so as to realize the real-time acquisition of the component BIT information and play a better role in the protection of the component.
　　Keywords： FPGA;TR component;protection
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