用于磁控管老練檢測的綜合控制及信號采集模塊的設(shè)計(jì)

文/邱風(fēng) 朱春雷

用于磁控管老練檢測的綜合控制及信號采集模塊的設(shè)計(jì)

文/邱風(fēng) 朱春雷

本文從磁控管老練檢測的核心控制單元入手，系統(tǒng)地闡述了新型單片機(jī)在高壓高功率微波器件檢測中的應(yīng)用；對以單片機(jī)控制為核心的外圍單元子模塊，依據(jù)關(guān)鍵性等因素，分別進(jìn)行了論述；該模塊的開發(fā)在單片機(jī)在強(qiáng)電磁環(huán)境的特殊應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。

磁控管 老練檢測 設(shè)計(jì)

工作中我們經(jīng)常遇到磁控管不能進(jìn)行性能檢測的難題，器件在倉庫長期儲存緩慢漏氣不能進(jìn)行老練。我們研制的磁控管控制及信號采集模塊，通過軟硬件技術(shù)為磁控管提供檢測和老練的電氣環(huán)境，用于多種磁控管的老練和檢測控制，解決了長期困擾我們的難題。

1 采用Cygnal C8051F做為模塊的控制核心

該 模 塊 采 用Cygnal公 司 單 片 機(jī)C8051F021，Cygnal公司的C8051F系列，在許多方面已超出當(dāng)前8位單片機(jī)水平。

1.1 采用CIP-51內(nèi)核提升CISC結(jié)構(gòu)運(yùn)行速度

Cygnal公司在提升8051速度上采取了新的途徑，在保持CISC結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下，對指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè)，推出了CIP-51的CPU模式。在這種模式中，廢除了機(jī)器周期的概念，指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位。平均每個(gè)時(shí)鐘可以執(zhí)行完1條單周期指令，從而大大提高了指令運(yùn)行速度。

1.2 I/O采用交叉開關(guān)配置

在Cygnal公司的C8051F中，則采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實(shí)現(xiàn)I/O端口的靈活配置。在這種通過交叉開關(guān)配置的I/O端口系統(tǒng)中，單片機(jī)外部為通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。內(nèi)有輸入/輸出的電路單元通過相應(yīng)的配置寄存器控制的交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。

1.3 提供完整的時(shí)鐘系統(tǒng)

Cygnal公司的C8051F則提供了一個(gè)完整而先進(jìn)的時(shí)鐘系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，片內(nèi)設(shè)置有一個(gè)可編程的時(shí)鐘振蕩器（無需外部器件），可提供2、4、8和16 MHz時(shí)鐘的編程設(shè)定。外部振蕩器可選擇4種方式。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外時(shí)鐘的動(dòng)態(tài)切換。編程選擇的時(shí)鐘輸出CYSCLK除供片內(nèi)使用外，還可從隨意選擇的I/O端口輸出。

1.4 基于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試

C8051F在8位單片機(jī)中率先配置了標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口（IEEE1149.1）。在上位機(jī)軟件支持下，通過串行的JTAG接口直接對產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。C8051F的JTAG接口不僅支持Flash ROM的讀/寫操作及非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試，它的JTAG邏輯還為在系統(tǒng)測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、SFR總線和I/O口弱上拉功能實(shí)現(xiàn)觀察和控制。

1.5 最小功耗系統(tǒng)的最佳支持

C8051F是8位機(jī)中首先擺脫5 V供電的單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了片內(nèi)模擬與數(shù)字電路的3 V供電（電壓范圍2.7～3.6 V），大大降低了系統(tǒng)功耗。

2 模塊的組成

模塊的主要功能：有磁控管燈絲調(diào)整、陽極電壓調(diào)整、觸發(fā)脈沖產(chǎn)生、脈寬控制、風(fēng)扇控制、過流過壓保護(hù)、緊急高壓斷、磁控管故障診斷、磁控管電壓電流檢測等功能。模塊以中央微處理器C8051F021為核心，配以模擬電壓輸入電路用以采集監(jiān)控磁控管的陽極電壓和陽極電流，以示磁控管工作狀態(tài)；開關(guān)量輸入電路用以采集和輸入磁控管的保護(hù)開關(guān)、過壓過流保護(hù)、門開關(guān)、行程開關(guān)等狀態(tài)量主要起到保護(hù)和檢測故障之用；模擬電壓輸出主要起到一些輔助調(diào)整之用；開關(guān)量輸出主要是控制磁控管的低壓、高壓、風(fēng)扇等的開關(guān)控制；pwm輸出用于程控調(diào)整磁控管的燈絲電壓和陽極電壓以適應(yīng)不同的磁控管工作之需；485通信接口用于模塊和主機(jī)通信；編程調(diào)試接口是C8051F021單片機(jī)的唯一編程下載和調(diào)試程序的接口為JTAG接口。

2.1 模擬電壓輸入電路

該部分電路將分壓和調(diào)理好的0-5V電壓經(jīng)過運(yùn)放組成的射極跟隨器后直接接到C8051F021的模擬電壓輸入接口，應(yīng)用中使用了兩個(gè)通道。下面是片內(nèi)A/D采樣電路的C51程序，這部分被編程為一個(gè)函數(shù)，其中入口參數(shù)x為要采集的通道，返回的采樣值放在一個(gè)全局的聯(lián)合中，該聯(lián)合可以按字訪問也可以按高低兩個(gè)字節(jié)訪問。

2.2 開關(guān)量輸入

開關(guān)量輸入電路是將外來的電壓信號（一般為0-5V）經(jīng)過74LS373緩沖并鎖存，送入到單片機(jī)端口，通過讀端口鎖存器數(shù)據(jù)監(jiān)控外部狀態(tài)，及時(shí)產(chǎn)生中斷，使磁控管的高壓關(guān)閉，以保護(hù)人員和器材的安全。實(shí)際應(yīng)用中共計(jì)10個(gè)開關(guān)量輸入，采用了兩片74LS373鎖存器，GAL16V8D的作用是將要保護(hù)的信號進(jìn)行邏輯編碼，根據(jù)需要產(chǎn)生單片機(jī)中斷信號。

2.3 PWM輸出電路

系統(tǒng)采用兩路PWM輸出，一路用于磁控管燈絲電壓調(diào)整，一路用于磁控管陽極電壓調(diào)整。PWM輸出是通過對單片機(jī)內(nèi)部可編程的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列PCA實(shí)現(xiàn)的，C8051F021內(nèi)部有一個(gè)16位PCA陣列5個(gè)捕獲/比較模塊，本應(yīng)用采用2路捕獲/比較模塊設(shè)置成16位PWM方式。PWM輸出通過74LS244驅(qū)動(dòng)后輸出控制開關(guān)MOSFET管電流，控制磁飽和電感以調(diào)整電感感抗調(diào)整磁控管燈絲變壓器和高壓變壓器的初級電壓，這樣就可以通過程控的方式靈活改變不同型號磁控管所需的燈絲電壓和陽極電壓，可精確到十萬分之1.5。

2.4 開關(guān)量輸出電路

該模塊的開關(guān)量輸出是單片機(jī)將要控制的開關(guān)量寫在端口鎖存器上，端口輸出電平經(jīng)74LS244驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)后的電平可直接推動(dòng)固體繼電器或小型機(jī)械繼電器用以控制大功率的低壓和高壓電路。

作者單位軍械工程學(xué)院 河北省石家莊市 050003