基于多核處理架構(gòu)的功放實時保護電路設(shè)計

引言

在國防、通信等相關(guān)領(lǐng)域中，寬帶射頻大功率放大器是發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分。相關(guān)領(lǐng)域中往往需要用到由多個功率管合成輸出組成的幾百瓦乃至數(shù)千瓦等級的功放。如此大的功率等級必然對供電、散熱都有很強的要求，加上復(fù)雜的合成、匹配電路，這其中任意一環(huán)的故障往往就會引起價值昂貴的功放不可逆的損壞，通常表現(xiàn)為無功率輸出或者功率達不到額定值，從而影響整個發(fā)射系統(tǒng)的性能，甚至使發(fā)射系統(tǒng)癱瘓，造成較大經(jīng)濟損失。因此，寬帶射頻大功率放大器必須具備完善有效的保護電路。

現(xiàn)有的功放保護電路雖然也具備了完善的各種故障的保護功能，諸如駐波保護、過流保護、過熱保護、過欠壓保護、過激勵保護等，但是，這種電路的保護響應(yīng)是滯后的，只能在故障已經(jīng)發(fā)生后發(fā)現(xiàn)故障，再做出防止故障進一步擴大的相應(yīng)保護措施，諸如斷電、停止發(fā)射等，從本質(zhì)上看是一種事后彌補行為。而此時，功放往往已經(jīng)發(fā)生了不可逆的損壞。以發(fā)射機系統(tǒng)中常見的駐波故障（通常由于功放輸出端開路造成）為例，當(dāng)發(fā)生輸出開路等情況時，首先要等待耦合檢波電路對發(fā)生的變化做出響應(yīng)并傳給控制板，然后控制電路再據(jù)此作出判斷，并進行相應(yīng)的處理，如切斷功放模塊的偏置電壓供電等。從發(fā)生開路到功放最終退出發(fā)射工作狀態(tài)，這段保護響應(yīng)時間可能要數(shù)十μs，然而“脆弱”的功率管對于駐波狀態(tài)下反向大功率的承受時間往往是非常短暫的，甚至不足這數(shù)十μs。實際工作中發(fā)現(xiàn)，等真正保護時，很多功率管已經(jīng)發(fā)生了或大或小的損傷。其它各種故障保護的情況也類似。因此，很有必要對現(xiàn)有功放控制保護電路作出從設(shè)計理念到具體實現(xiàn)的徹底改變，實現(xiàn)真正的保護功放不受傷。方案設(shè)計

新的實時保護電路設(shè)計的出發(fā)點就是要防患于未然，能夠在故障發(fā)生前根據(jù)監(jiān)測到的參數(shù)變化趨勢作出合理判斷并采取相應(yīng)措施。為此，對可能造成大功率功放損壞的幾個主要原因的相關(guān)檢測量作出歸納和整理，如圖1所示。

傳統(tǒng)的保護電路只是在檢測量已經(jīng)發(fā)生了標(biāo)志著故障的巨大改變后才做出響應(yīng)，而對這中間的變化過程是不問的。因此如果我們能夠?qū)ι鲜鰠?shù)進行實時檢測比較，就有可能及時發(fā)現(xiàn)故障趨勢，從而在造成不可逆的損傷性故障之前提前采取相應(yīng)預(yù)防措施。

還是以大駐波為例。大駐波狀態(tài)的判定是由上述正反向功率檢波電壓的比值決定的。如果能夠?qū)崟r獲取這個比值，并與前一次測量的結(jié)果進行比較而不是只與一個預(yù)設(shè)的固定門限比較，就有可能在發(fā)生駐波值突然異常升高，意味著有可能發(fā)生大駐波狀況的前夕及時發(fā)現(xiàn)故障趨勢并作出反應(yīng)，采取降額或者停止發(fā)射等方式應(yīng)對，爭取到寶貴的數(shù)十μs時間，從而達到保護功放的目的。其軟件循環(huán)流程如圖2所示。

電流的處理流程也是類似。單片機需要通過AD芯片不斷讀取各個功放模塊的電流數(shù)據(jù)，不斷地進行比較，判斷是否存在電流過大或者模塊間電流不平衡的狀況。由于這個電流檢測處理流程是實時的，而電流不會發(fā)生突變。這樣就可以在達到危險狀態(tài)之前成功進入保護模式。

總之，該設(shè)計的核心思想就是對各狀態(tài)參數(shù)的變化趨勢而非絕對值進行監(jiān)測，根據(jù)趨勢在達到危險狀態(tài)之前就做出故障判斷，盡早保護，從而把損失降到最小。

在具體電路設(shè)計中，上述故障檢測參數(shù)輸出都是數(shù)字量，需要由單片機參與進行處理。同時圖1中前兩類故障對實時性都有較高要求，因此都需要單片機進行實時檢測處理。這樣就帶來了一個問題，即單片機一“芯”不能二用，無法同時對各個故障都進行實時監(jiān)測，若采用輪流查詢的辦法，因為電流路數(shù)往往較多，AD檢測時間較長，這樣事實上就起不到及時保護的作用，且各種故障中斷容易導(dǎo)致軟件沖突。何況同時單片機還要承擔(dān)響應(yīng)級別更高的通信功能，必須實時響應(yīng)控制臺通過通信口對功放下達的控制指令，也就是說在一個初步的功放控制電路設(shè)計里，起碼有三個任務(wù)需要實時處理。因此，傳統(tǒng)的以單片機為主構(gòu)成的控制電路無法適應(yīng)實時保護技術(shù)的要求。而由于可靠性、印制板體積、成本等的考慮，同時采用三顆單片機來完成的辦法也是非常不經(jīng)濟的。

這種情況下，國產(chǎn)的LsO52系列單片機無疑是非常勝任的。該系列單片機是基于51核的增強型單片機，具有以下特點：

（1）速度快，最高輸入頻率可達40MHz：

（2）有大的Flash空間，可達64K：

（3）有兩+DART口；

（4）片上自帶12C＼sPI＼One Wire等常用外設(shè)接口……

但是，該單片機最大的亮點還在于它采用了自有專利的L體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了多核并發(fā)處理引擎。該單片機可以同時并發(fā)的執(zhí)行三道應(yīng)用程序而互不干擾。這樣，我們就可以該三核單片機為核心部件設(shè)計新的實時保護電路了。

設(shè)計實現(xiàn)

功放的保護主要是通過控制功放的偏置電路的通斷來控制功放管的偏置電壓供電實現(xiàn)的。當(dāng)偏置電壓加上時，功放模塊可以在輸入激勵信號的作用下正常輸出功率，而一旦切斷偏置電壓，則不再響應(yīng)，進入保護模式。

在本設(shè)計中，采用一片多核單片機為核心器件處理必須實時執(zhí)行的操作，另以一片高速CPLD EPM240圖4單片機軟件流程示意圖做接口控制及其它功能。同時采用了MAXIM公司的AD檢測芯片MAXll54做電流檢測。MAXll54是一款十通道，十位的AD檢測芯片，可以檢測八路外部輸入模擬量。除此之外，它還具有以下特點：

（1）各個通道在配置完成后可以獨立自主的對該通道進行不間斷測量，自動更新檢測數(shù)據(jù)，而無需單片機參與，從而大大提高了AD讀取速度：

（2）每個通道均可以獨立設(shè)定相應(yīng)的上限和下限告警門限，產(chǎn)生超限中斷：

（3）每個通道均可以設(shè)定各自的平均次數(shù)和報警累計次數(shù)，從而可以極大的降低錯誤率。

因此，MAXll54非常適合于在功放中對各個功放模塊的電流進行實時監(jiān)測。

系統(tǒng)組成如圖3所示，系統(tǒng)設(shè)計的核心是由三核單片機LSO52A和Altera公司的CPLD芯片EPM240T100組成的。控制端通過422接口向功放發(fā)送通信指令以及收發(fā)控制、功率檔等信息，而功放則在其控制下進行工作，一旦發(fā)生任何故障，由CPLD匯總后輸出一個故障告警反饋給控制端，同時進入保護狀態(tài)。

CPLD芯片主要承擔(dān)邏輯綜合：輸出分路、驅(qū)動；保護處理等功能。由于過欠壓等狀況對設(shè)備損害程度較低，允許一定時間內(nèi)繼續(xù)工作，因此該部分保護電路是直接通過比較器比較檢測電壓與預(yù)設(shè)門限，將比較結(jié)果傳到CPLD進行邏輯判斷即可，無需進行預(yù)判。

LSO52A單片機在本設(shè)計中充分發(fā)揮了其三核特性。三核同時全速運行，相當(dāng)于三個單片機并行工作。A核執(zhí)行駐波實時監(jiān)測和處理程序：B核執(zhí)行各模塊電流檢測和處理程序：而c核主要用于響應(yīng)控制端的UART通信。同時，由于過熱保護的響應(yīng)時間要求比前兩者略低，還可以在通信的間歇期進行溫度檢測處理。

A核和B核程序各自獨立控制一片MAXll54。分別執(zhí)行正反向功率檢波電壓的檢測和各功放模塊電流的實時檢測功能。同時還可以分別設(shè)置反向功率檢波電壓的上限值以及各個模塊電流檢測的上下限值，通過中斷口向單片機發(fā)出超限告警，在執(zhí)行實時監(jiān)測預(yù)判斷功能的同時還使能了MAXll54芯片自身的過限報警功能，最大限度地利用了芯片特性，進一步提高功能靈活性。這樣A核和B核就可以同時分別執(zhí)行駐波和電流的實時監(jiān)測比較功能，實現(xiàn)針對大駐波及電流不平衡等危害程度極大的故障狀況的主動保護處理。

在此系統(tǒng)中，A、B、c三核的程序流程示意圖如圖4所示。

需要補充說明的是對于其中B核的電流平衡比較算法，由于正常工作時，各模塊電流應(yīng)該是比較接近的，因此為了快速與簡便，實際算法是每一路電流檢測結(jié)果直接與一個常量相減，若某一路相減的結(jié)果超過了范圍，則說明有電流不平衡的趨勢，單片機就可以立即通知CPLD進行相關(guān)處理。此外，若某一路功放模塊的電流在正常工作時變得極大或極小，也可以直接觸發(fā)MAXll54的超限告警中斷輸出，從而同時實現(xiàn)了對于功放的模塊電流不平衡保護和電流過大/過小的雙重實時保護。

A核也是如此。既可以實現(xiàn)對駐波狀態(tài)變化趨勢的實時監(jiān)測判斷，同時還能利用MAXll54的中斷輸出特性，當(dāng)反向檢波電壓極大時以中斷方式通知單片機立即采取保護措施，實現(xiàn)全面的駐波保護。

c核程序承擔(dān)實時串口通訊與溫度檢測保護功能。其溫度檢測設(shè)計參見文獻。

這樣，就實現(xiàn)了以一塊MCU執(zhí)行通信功能并同時對功放的駐波、電流、溫度進行實時監(jiān)測，從而實現(xiàn)了我們對功放實時保護的設(shè)計初衷，能夠盡早介入，使設(shè)備免于損傷。

結(jié)束語

通過采用獨具特色的三核單片機和功能強大的AD轉(zhuǎn)換芯片，以及CPLD，可以實現(xiàn)對射頻大功率放大器的實時保護功能，從而解決困擾發(fā)射機系統(tǒng)的一大可靠性保障難題。其核心思想就在于對功放的狀態(tài)參量進行全面實時監(jiān)測判斷，不斷地與上一次檢測結(jié)果比較以獲得狀態(tài)變化趨勢，在達到損傷狀態(tài)前介入保護。而實現(xiàn)的關(guān)鍵在于能夠同時并發(fā)執(zhí)行對不同參數(shù)的監(jiān)測處理程序，這正是多核處理器的優(yōu)勢所在。

在此基礎(chǔ)上還可以作進一步改進，如采用更大容量的CPLD，將通信核的功能移入CPLD，則c核程序還可以騰出余力來進行輸出功率控制等流程，從而節(jié)省原用于功率控制的大批分立元器件，使系統(tǒng)更加緊湊，可靠性進一步提高。

總之，隨著控制需求的不斷升級，多核嵌入式處理器的應(yīng)用前景也將越來越廣闊。