CINRAD/SA天氣雷達光纖鏈路測試工裝系統設計與實現

姚 雷,朱 毅,吳嘉偉,儲晨曦

(1.連云港市氣象局,連云港 222000;2.江蘇省氣象局,南京 210009;3.南通市氣象局,南通 226000;4.江蘇省氣象探測中心,南京 210009)

0 引言

截至目前,中國已建成236部由S波段和C波段新一代天氣雷達構成的世界上規模最大的氣象雷達網。該氣象雷達網近地面1 km覆蓋范圍超220萬km2,傳輸時效從8 min縮短到50 s,業務可用性達99%。其觀測數據和產品為構筑氣象防災減災第一道防線發揮了重要作用[1]。中國氣象局建立了國家級、省級、臺站級三級保障體系,同時建立了國家級、省級保障維修平臺[2-3]。許多氣象工作者對發射機、接收機、伺服系統等建立了大量的測試工裝,如劉光普等[4]使用LabVIEW技術,在分析雷達發射系統主要參數測試原理的基礎上,將雷達站現有的功率計、示波器等儀器作為硬件設備,通過信號中樞的控制,實現CINRAD雷達發射系統發射峰值功率、脈沖包絡等參數的遠程自動化測試;楊奇等[5]設計了一種對S波段新一代天氣雷達前級組件(包含固態放大器和脈沖形成器)維修與測試的快速診斷系統,該診斷系統主要為發射機前級組件提供所需的各種電壓、控制信號、時序邏輯信號,滿足對前級組件的測試電路信號需求;邵楠等[6]通過對CINRAD/SA天氣雷達伺服系統設備進行技術梳理,詳細介紹了伺服系統測試工裝的系統組成、硬件和軟件設計及如何利用測試工裝進行伺服系統故障診斷與測試。據相關統計,光纖鏈路故障在雷達天線伺服系統中的發生概率較大[7-11]。現有研究中關于光纖鏈路相關測試工裝的研究相對較少。文章對CINRAD/SA雷達監控系統中光纖鏈路測試工裝系統原理、設計、測試流程進行闡述,以期滿足對光纖鏈路相關組件測試與維修的要求。該測試工裝系統不僅能完成光纖鏈路自備件的測試,還可以借助測試工裝系統進行相關組件快速故障診斷定位,縮短維修時間,提高維修效率。

1 CINRAD/SA雷達光纖鏈路系統組成

光纖鏈路由上、下光端機及光纜組成。上、下光端機可以實時完成天線/底座內到雷達設備機房所有弱電信號的傳輸。上光端機包括直流穩壓電源、上光纖板和機箱,放置在天線座內,主要負責采集天線罩溫度傳感器、天線功率監視器、天線轉速表(方位和俯仰)輸出的4路模擬信號,將這4路模擬信號進行12位的A/D轉換;采集塔/天線座的16個數字信號及2組天線角度信號(方位和俯仰角度),時序控制電路將這些信號通過光纜傳輸到RDA監控機柜的下光端機,同時將下光端機電路的接收機保護器命令信號傳送給接收機保護器。上光纖板主要由四路數模轉換電路、角碼差分輸入和輸出電路、伺服狀態信息輸入電路、工裝方位和俯仰角碼輸入電路、復雜可編輯邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)數字處理電路以及光纖收發電路組成。

下光端機接收上光端機的所有信號,將其中4路模擬信號進行12位D/A轉換。時序控制電路將這些信號分別傳送給分布式存取單元(Distributed Access Unit,DAU)和直流配電單元(Direct Current Distribution Unit,DCU),同時將接收機保護器的輸出信號傳送給RDA計算機。下光纖板主要由四路數模轉換電路、角碼差分輸出電路、伺服狀態信息輸出電路、CPLD數字處理電路和光纖收發電路組成。下光纖板的信號傳輸是上光纖板的反向過程,即上、下光纖板信號遵循數據采集—A/D轉換—編碼打包—串行傳輸—串行接收—拆包—D/A轉換—數據還原過程。下光纖板安裝在雷達設備機房監控機柜內DAU的板卡插槽上。

2 光纖鏈路測試工裝系統設計

2.1 光纖鏈路測試工裝系統主要功能

光纖鏈路主要負責將模擬和數字信號進行D/A轉換、A/D轉換、數字變換打包后進行串行傳輸。

模擬信號為:

1)天線功率檢測信號:0～1 W;

2)天線罩溫濕度電流信號:4 mA～20 mA;

3)方位和仰角速度信號:-39～39 V。

數字信號為:

1)15路天線座狀態信號;

2)方位和俯仰角度串行信號;

3)保護器命令和響應信號。

光纖鏈路所傳輸的模擬信號變化范圍大,要求精度高,如天線方位和俯仰轉速表輸出信號變化范圍為-39～39 V,傳輸精度小于±20 mV。這2路信號通過光纖鏈路直接傳送到天線伺服調速系統,控制天線的轉速,因此對這2路模擬信號的穩定性和可靠性要求較高。模擬信號大修后的SA雷達大部分已經不再使用,如天線功率檢測模擬信號暫未使用;方位和仰角速度信號已采用直接傳輸方式;光纖僅傳輸溫濕度信號。由于溫濕度信號比較簡單,用數字萬用表測量比較簡潔,因此文章研究的測試工裝系統并未設計該功能。

光纖鏈路采用了較先進的超大規模集成可編程芯片(PLD)來實現所有數字電路的功能,這使得系統結構緊湊、體積小、抗干擾能力強、工作穩定可靠。數字信號中保護器命令和響應信號在SA大修升級后,已經不再經光纖板傳輸。

針對上述上、下光纖板實現的模擬和數字信號傳輸,光纖鏈路測試工裝系統主要實現對數字信號傳輸鏈的功能檢測,即檢測數字信號中方位角碼和俯仰角碼傳輸鏈路(輸入角碼數據等于輸出角碼數據);天線座狀態數據鏈路即天線座輸入狀態信號等于下光纖板輸出狀態信號。

2.2 測試工裝系統硬件組成設計

測試工裝系統主要由電源電路、角碼輸入電路、角碼輸出電路、伺服狀態信息輸入與輸出電路、控制電路和通信接口組成(圖1)。

圖1 測試工裝系統組成原理

2.2.1 電源電路

工裝系統要同時為上光纖板、下光纖板、工裝板供電。上、下光纖板主要使用5,15和-15 V電壓,工裝板采用5 V電壓,工裝系統采用65 W一體化電源可提供上述3組電壓。

2.2.2 角碼輸入電路

角碼輸入電路主要是模擬光電編碼盤和軸角盒輸出的數據。單片機接收串口發來的角碼數據通過74LS245送至并變串電路(74LS165),該電路為軸角盒編碼電路上光纖板提供時鐘信號和加載信號。電路采用并入串出方式,將方位和俯仰解碼數據串入上光纖板電路。每16個時鐘,角碼信息完成一次加載并更新。加載更新的頻率為9.676 kHz,即上光纖板每103.3 μs更新1次方位和仰角數據。

2.2.3 方位和俯仰角碼輸出電路

工裝板定時輸出16位時鐘信號,下光纖板串出方位和俯仰角碼信息。角碼輸出電路采用兩路74LS164進行串行連接。每16個時鐘后,將角碼信息鎖存數據,并顯示在LED指示電路中。角碼輸出電路實際上為串聯變并聯輸出電路。下光纖板與雷達伺服數字控制單元5A6 工作時,實際更新角碼時間為45 ms。因此下光纖板讀取角碼的時間和上光纖讀取軸角盒角度不是同步的,工裝系統中讀取時間自由。

2.2.4 伺服狀態信息輸入與輸出電路

伺服狀態信息主要有15位報警信息,分別是俯仰預正限位、負限位,俯仰終正限位、負限位,方位齒輪箱油位,方位池油位,方位電機過溫,方位手輪,方位停止銷,俯仰減速箱油位,俯仰停止銷,俯仰電機過溫,俯仰手輪,天線罩門開關的航警燈報警。

伺服狀態信息輸入電路主要將以上15位報警信息并聯在一起,通過繼電器進行高低電平轉換,模擬伺服狀態信息正常與報警狀態,輸出電路通過74LS244緩沖電路送至單片機輸入端口進行狀態檢測。繼電器由上位計算機進行控制,當進行報警測試時(全1),繼電器吸合,檢測輸出狀態信息是否為全1;當進行正常測試時(全0),檢測輸出狀態(X0～X14)是否是全0。由于伺服各狀態信息位一端都是通過5.1 kΩ電阻接至5 V電源,因此電路為開路時,輸入狀態均為高電平,繼電器吸合時拉至0 V。

2.2.5 控制電路與通信接口

工裝系統采用普通8位單片機PIC16F877A進行控制,單片機時鐘采用11.0952 MHz,由于該單片機I/O數量不能滿足工裝系統使用需求,大多數I/O口都采用74LS244實現復用選擇功能,以滿足對輸入、輸出的控制。同時工裝板采用1.2 MHz有源晶振產生,為上、下光纖板提供同步時鐘。通信接口采用RS-232方式進行,采用MAX202進行上位機數據的通信。

3 測試工裝系統測試流程設計與判定

3.1 測試工裝系統角碼程序流程

光纖鏈路所傳輸的信號包括天線的方位和俯仰軸角編碼器信號,是串行的二進制數。伺服系統每45 ms向下光端機提取1次軸角編碼器數據,取數時間對于下光端機是隨機的。有時會發生存、取數據競爭問題。為此在下光端機電路中設計了一個互鎖電路,當伺服系統取數時,禁止存數。由此保證每次所取的數據是正確的。

程序首先對使用端口進行輸入輸出初始化,對通信端口進行初始化配置,將16位角碼并行數據設為輸出端口,配置串行通信采用9600波特率,1停止位、無校驗位。測試工裝首先并行輸出16位方位數據和角碼數據至74LS165電路;工裝板模擬16位時鐘,當16位時鐘產生完畢,讀出方位和角碼信息數據,并與先前并行輸出數據相比較,當數據錯誤時,錯誤指示燈點亮,反之熄滅。處理完方位和角碼數據后,工裝碼讀取15位狀態報警信息,并將每位狀態信息以LED燈指示。

以下是角碼輸出電路中單片機模擬16位串形時鐘的程序。16位串形時鐘采用高低電平加空閑指令(NOP)模擬形成,模擬完成后讀出串聯變并聯后的數據。

for(countno=0;countno<16;countno++) //16次數據循環,完成16位串行時鐘

{ RC1=0;//時鐘位,先清0,低電平

asm("NOP");//延時

asm("NOP");

asm("NOP");

asm("NOP");

asm("NOP");

RC1=1;//時鐘位,產生高電平,形成一位脈沖信號。}

RA0=1;//關閉244輸入

TRISD=0xff;//串形數據并入返回D0-7 方向輸入

TRISB=0xff;//串形數據并入返回D8-15 方向輸入

RA1=0;//打開244輸出

returndata0l=PORTD;

axisvalue.adres[0]=returndata0l;

returndata0h=PORTB;

RA0=0;//打開244輸入,讓保持輸入時間更長,便于打入數據

axisvalue.adres[1]=returndata0h;

中斷子程序主要處理來自串口的通信數據,解析輸入的解碼數據,并輸出下光纖板輸出的解碼數據和伺服狀態信息。

3.2 測試工裝系統測試判定

3.2.1 角碼數據正誤判定

角碼數據測試是通過上位計算機的串口助手進行的,即串口助手發送角碼數據,經工裝送至上光纖板后經光纖和下光纖板輸出至工裝后返回判斷,當數據一致時即可判定角碼數據鏈路正常。

3.2.2 伺服狀態信息位判定

工裝檢測繼電器不吸合時的狀態(全1),返回伺服狀態信息數據應全為1;上位計算機發送吸合指令時(全0),工裝測試信息位應全為0。當上述2種狀態正常時,則上、下光纖板伺服狀態信息位正常。反之當有1位不正常時,則應該對上、下光纖板進行電路排查。

3.2.3 模擬值正誤判定

模擬值主要傳輸天線罩的溫濕度信號(電機速度信號在交流系統中已取消在光纖板傳輸),工裝系統中并未對模擬信號進行檢測,實際工作中需在上光纖板溫濕度輸入端引入1個電壓,用數字萬用表測量下光纖板輸出是否一致即可。

4 結束語

文章設計并實現了天氣雷達光纖鏈路測試工裝系統,并對其原理及測試流程等進行闡述,得出以下結論:

1)CINRAD/SA天氣雷達光纖鏈路測試工裝系統的設計,實現了對雷達光纖鏈路及其相關組件的離線測試。實際測試過程中,系統可以快速定位故障并排除,提高了維護時效,有效節約了維護成本。

2)測試工裝系統可以通過配合測試平臺軟件實現儀表的數據采集,可對光纖鏈路完成自動化測試與維修。建立光纖鏈路組件的離線維修與測試的硬件環境,為故障的判斷與維修提供了便利,可提升雷達機務員保障能力。

3)后續可以繼續實施維修測試平臺軟件技術升級,擴展測試工裝的通信控制等功能,相關經驗可推廣應用到其他氣象雷達伺服系統故障診斷和維修中,成為天氣雷達省級維修測試平臺的重要組成部分。