雷达运行参数和故障信号采集控制板的制作方法

本发明涉及一种信号采集控制板 ，尤其涉及雷达运行参数和故障信号采集控制板。

背景技术：

雷达自身监控存在缺陷，许多参数没有进行实时监控（电流、电压等，超过限定范围才报警），许多情况下，器件或组件故障有一个逐渐变化的过程，这种监控方式不能反映参数在限定范围内出现的变化，导致延误雷达故障处理时间，甚至造成一些在关键时刻雷达故障停机情况。

天气雷达发射机故障报警后必须到现场清除才能恢复开机，天气雷达站均局站分离，发射机许多报警可能由于偶然因素导致，机务人员到达现场也就是清除报警状态就能恢复开机，基本每个雷达站均或多或少出现这类情况，浪费大量宝贵时间，耽误雷达业务运行。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供雷达运行参数和故障信号采集控制板，以达到及时发现故障并远程清除故障的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

雷达运行参数和故障信号采集控制板，其特征在于：采集控制板设于天气雷达发射机面板的背面，并与天气雷达发射机面板相连以采集雷达运行参数、故障信号和远程控制，采集控制板设有通信电路以实现天气雷达发射机的远程监控。采集控制板对发射机各种运行状态进行监控指示，检查发射机面板指示可以判断发射机工作情况，通过面板功能键操作，实现发射机工作模式切换等，能够及时发现故障并清除故障的目的。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

所述的采集控制板还设有数据采集及运算控制器、故障信号输入接口电路、电压电流输入接口电路、运行状态信号输入接口电路、控制信号输出接口电路、参数设置按钮电路、电源稳压电路；所述的故障信号输入接口电路、电压电流输入接口电路、运行状态信号输入接口电路、控制信号输出接口电路、通信电路、参数设置按钮电路、电源稳压电路与数据采集及运算控制器相连；采集控制板的故障信号输入接口电路与天气雷达发射机面板的故障指示模块相连；采集控制板的电压电流输入接口电路与天气雷达发射机面板的电流电压采集显示模块相连；运行状态信号输入接口电路与天气雷达发射机面板的运行状态显示模块相连。电源稳压电路用于供电，采集控制板将天气雷达发射机的故障信号、电压电流数据、运行状态信号通过通信电路发送到上位机。

采集控制板的故障信号输入接口电路与天气雷达发射机面板的故障指示模块之间及运行状态信号输入接口电路与天气雷达发射机面板的运行状态显示模块之间均采用一分二电缆连接，一分二电缆的一端插入采集控制板，另一端插入天气雷达发射机面板，采集控制板的电压电流输入接口电路通过电缆与天气雷达发射机的转换开关连接以对每路的模拟电流电压信号进行采样。对天气雷达发射机的改造方便，且工作可靠、稳定。保持新一代天气雷达发射机面板原有功能，同时实现采集数据，达到远程监控目的。

所述的通信电路设有多个异步串口通信模块，包括无线通讯模块、RS485、RS232、LAN模块。通信方式多样，提高通信的灵活性。

所述的采集控制板还设有用于存储标定参数及运行参数的FLASH存储器，所述的电压电流输入接口电路设有AD转换模块。

所述的故障信号输入接口电路和运行状态信号输入接口电路均设有光耦隔离模块。实现电气的隔离。

所述的故障信号输入接口电路设有60路以上的故障信号输入接口，一故障信号输入接口连接一光耦隔离模块，光耦隔离模块的输出端与对应锁存器相连，数据采集及运算控制器的并口分时读取锁存器。可解决单片机IO口数目少的问题，有利于减少成本。

所述的电压电流输入接口电路设有20路以上的模拟信号输入接口，每个模拟信号输入接口均设有用于隔离的线性光耦，电源稳压电路设有用于电源隔离的DC-DC电路；模拟信号输入接口的输入电阻大于或等于10M；所述的控制信号输出接口电路设有8路控制信号输出接口以控制继电器输出来模拟面板按钮操作；所述的继电器包括用于控制故障复位的第一继电器、用于控制显示复位的第二继电器，用于控制灯测试的第三继电器，所述的第一继电器、第二继电器、第三继电器的引脚均与数据采集及运算控制器的引脚相连，以由数据采集及运算控制器控制继电器的工作。

采集控制板还设有数码管显示模块，数码管显示模块包括数码管及驱动数码管工作的场效应功率管，所述的数码管为6位段式LED管，其采用动态扫描的方式显示，显示数据的传输与数据采集传输端口公用，使用2片数据锁存器锁存显示数据，其中右4位显示采集的电压电流数据，左2位显示电压电流数据的通道号。数码管以一个通道显示2秒的方式循环显示。

参数设置按钮电路包括按键，按键直接与采集及运算控制器的接口连接，采集及运算控制器通过中断的方式读取按键的键值，根据不同的键值作对应的处理；当在正常工作时，通过按对应键来快速更换电压电流数据显示通道，在设置状态下时，通过按键与数码管配合以进行参数的设置、采集数据的标校。

有益效果：

1、本技术方案在对新一代天气雷达（CINRAD/SA/SB)发射机运行无影响情况下，将发射机面板指示相关参数方便地形成数据文件，结构简单，安装方便，容易实现对天气雷达发射机的改造，且工作可靠、稳定。在保持了天气雷达发射机面板原有功能的基础上增加远程监控、操纵的功能。

2、本技术方案在模拟按钮的工作状态的同时防止误操作而影响雷达工作的可靠性。

3、通过对报警指示、功能键、模拟表头相关数据信息采集，实现对天气雷达发射机面板指示信号或功能键远程监控或操作，有利于及时发现问题和解决问题，提高效率，有效节约时间及人力成本。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2是本发明的流程图。

图3是本发明的故障信号输入接口电路。

图4是本发明的电压电流转换电路。

图5是本发明的输出控制接口电路。

图6是本发明的数码管显示电路。

图7是本发明的参数设置按钮图。

图8是本发明的电源稳压电路图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

采集控制板设于天气雷达发射机面板的背面，并与天气雷达发射机面板相连以采集雷达运行参数、故障信号和远程控制。

如图1所示，所述的采集控制板设有数据采集及运算控制器、故障信号输入接口电路、电压电流输入接口电路、运行状态信号输入接口电路、控制信号输出接口电路、参数设置按钮电路、电源稳压电路、通信电路；其中通信电路包括以太网通信接口电路、RS485通信接口电路、RS232通信接口电路、ZIGBEE无线通信接口电路，所述的故障信号输入接口电路、电压电流输入接口电路、运行状态信号输入接口电路、控制信号输出接口电路、通信电路、参数设置按钮电路、电源稳压电路与数据采集及运算控制器相连；采集控制板的故障信号输入接口电路与天气雷达发射机面板的故障指示模块相连；采集控制板的电压电流输入接口电路与天气雷达发射机面板的电流电压采集显示模块相连；运行状态信号输入接口电路与天气雷达发射机面板的运行状态显示模块相连。

一、数据采集及运算控制器

数据采集与运算控制器为整个系统的核心部分，由单片机及附属电路组成。单片机采用美国德州仪器公司的16位单片机，型号为MSP430F5438A,该单片机具有外围接口多、程序容量大，功能强、功耗低等特点。其内部集成有14通道的12位AD转换模块可直接用于雷达电压电流等参数的采集。该单片机还集成有4路串口通信接口可用于与上位机的通信。其自身所带的FLASH存储器可存储标定参数及其他运行参数，完全达到采集与运算电路要求。

二、故障信号输入接口电路

雷达的故障和状态信号均为电平信号，原电路采用光耦隔离驱动发光二极管指示，每种故障出现五次以下点亮一盏灯，五次以上点亮两盏灯。

为了尽量避免对雷达自身电路的影响，本电路也采用光耦隔离，由雷达光耦的次极驱动本电路光耦的初级，为尽量减少驱动电流，采用高耦合比、低驱动电流的光耦TLP624。该光耦只需数百微安的初级驱动电流即可进行信号传输。即使全部信号灯点亮从雷达汲取的电流也不大于30毫安，电路如图3所示。图中，N1、R1、L1为原雷达故障驱动及发光管显示电路，N2、R2、R3为采集器的接口电路，具有隔离与电平转换功能。出现故障时，N1光耦初级发光管点亮驱动次级使次级A点低电平，发光管L1点亮,同时驱动光耦N2,使N2的次级B点低电平。由于整个系统有80路的故障信号输入，超出了单片机的可用IO口数目，因此光耦N2的次级信号先经过数据锁存电路74HC373。80路电平信号由10个8路锁存器74HC373进行锁存，由单片机的P8并口分时读取。

三、电压电流转换电路

新一代多普勒雷达发射机有19路电压电流模拟信号需要采集，本电路设计了22路模拟信号输入接口，每个模拟输入端口的信号采用线性光耦隔离，供电采用DC-DC电源隔离，从而实现电气的完全隔离。同时采用高输入电阻设计，输入电阻不低于10M，对雷达原电路工作状态的影响微乎其微，保证了数据采样的准确性。电路图4所示，图中：R1、R2为输入信号分压电阻，由于雷达的各种状态信号有不同的采样电压，为使输入AD转换器前端的电压信号基本一致，不同的通道采用不同的分压电阻。IC1为高输入电阻运放，为光耦初级提供驱动电流，由于运放的输入电阻很高因此可使用高阻值的分压电阻，总输入电阻大于10M，从原电路汲取的电流小于1uA，几乎不对原雷达电路的工作状态造成影响。

N1为线性光耦，型号为HCNR201，对电压模拟信号进行隔离，输入模拟信号通过R1/R2分压，由IC1驱动光耦N1的初级发光管，次级接收二极管信号通过R5采样还原为与输入成线性关系的电压信号，运放IC3为缓冲器，对该电压信号进行缓冲输出。送入单片机的AD输入端。P1为DC-DC隔离电源，隔离输出电压经过IC2三端稳压管稳压，给运放IC1及光耦次级提供电源。

四、输出控制接口电路

雷达发射机面板上有8个按钮，分别控制8个功能按键。本电路设计了8路可远程指令通断的继电器输出，模拟面板按钮操作。电路如图5所示，单片机的引脚输出电压通过数据锁存器74HC373控制场效应管的通断，从而控制继电器的通断，稳压管Z的作用是防止继电器关断时线圈产生的高电压损坏其他电路。将继电器的输出接入按钮引脚，即可模拟按钮的工作状态，为防止误操作影响雷达工作，可只接入故障复位、显示复位及灯测试三个按钮。

五、通信电路

单片机集成了四个异步串口通信模块，为充分挖掘单片机的功能，给四个通信模块设计了四个不同的通信方式与上位机通信，以适应不同的雷达机房。

1）以太网LAN通信方式：该方式使用广州周立功的以太网转串口模块ZNE-300TI，通过该模块可直接接入局域网，通过局域网内的计算机使用网页控制或 TCP 控制以及通过虚拟串口方式读取采集器数据。

2）RS232通信方式：该方式最普通的通信方式，使用maxim公司的max3232进行电平转换。可直接与计算机的RS232接口进行通信，直接读取数据，它的优点是通用型好，使用方便，缺点是传输距离较短。该方式最为简单，此处不再详述。

3）RS485通信方式：RS485通信采用差分信号负逻辑，差分电压+2V～+6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制是全双工通讯方式，两线制是半双工通讯方式。本电路采用两线制半双工通讯方式，它的优点是可以多个采集器组成网络，同时传输距离较远，可超过1000m，适合采集计算机与发射机距离较远的雷达站。电平转换芯片为maxim公司的MAX485。

4）ZigBee无线通信方式：ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。该通信方式不需布线，对于采样计算机不在发射机房且布线困难的雷达站比较适用。

六、LED数码管显示模块与参数设置按钮电路

如图6所示，数码管6位段式LED管，采用动态扫描的方式显示，为减少单片机端口的使用量，显示数据的传输与数据采集传输端口公用，使用2片数据锁存器锁存显示数据。IC1锁存数码管位显示的通断，为动态扫描，轮流点亮数码管。IC2锁存段码显示数据。不同的位锁存不同的段码数据。由于一位有8个段，需要较大的驱动电流，为此使用场效应功率管M1-M6进行驱动。

6位数码管在正常工作时，右4位显示采集的电压电流数据，左2位显示电压电流数据的通道号，以一个通道显示2秒的方式循环显示。

参数设置按钮如图7所示，其4个按键直接与单片机的P2口连接，通过中断的方式读取按键的键值，根据不同的键值作不同的处理。正常工作时按UP键或DOWN可快速更换电压电流数据显示通道，在设置状态下，通过4个按钮与数码管配合可以进行参数的设置、采集数据的标校等操作。

七、电源稳压电路

如图8所示，FU1为自恢复保险丝，与二极管D1组成电源反接保护电路，以防止外部电源接反烧毁整个电路板，原理为电源反接时二极管D1导通，将反向电压钳位在0.7V，同时自恢复保险丝将电流钳位于二极管的安全电流之内，防止二极管烧毁。

TD7590、IND1、D2、R1-R4组成开关型稳压电源，TD7590具有内部功率场效应晶体管，它获得的连续输出电流在很宽的输入电压范围具有良好的负载和线路调整，最大的特点是输入输出电压差非常小。输入电压在5V-30V的范围内都能正常工作，该开关稳压电源可作为便携式设备理想的供电单元。调整R1-R4的电阻值使输出电压为5V，5V电压给以太网转换模块、RS232芯片、RS485芯片以及隔离电源模块提供电源。IC1为3.3V线性三端稳压管，最大输出电流500mA，给CPU及其他3.3V电源供电的电路供电。C1、C2、C3、C4、C5为电源滤波电容，其中C1必须选择耐压大于35V的电解电容。

本技术方案的工作流程如图2所示：本技术方案以单片机为核心，单片机采集故障电平信号和电压电流的模拟信号并进行运算，转换为符合要求的数据格式。然后由上位机发送指令读取。上位机发送的控制指令也需要单片机进行解析，然后输出控制。

指令接收采用中断模式，主程序负责指令的解析，如果是读数据指令，则将运算完成的数据发送缓存，由串口通信的发送模块使用中断方式自动发送。按键也使用中断模式，端口中断置标志，定时中断去抖动，键值由主程序处理。为提高AD转换的稳定性，采取了多次转换取平均的方法，由于单片机内AD转换通道不足，采用外加模拟数据选择芯片进行分时转换。电平数据的读取也采用分时的方法，一次读取8位，80个电平值分10次读取。主程序没循环一次扫描LED数码管一次，否则会引起数码管显示的闪动。

本技术方案实现故障信号及电压电流信号等采集与输出。其主要功能有采集80路故障开关信号、19路电压电流信号及8路运行状态信号，同时还有8路输出控制信号。采集模块与雷达站机房内的计算机通过局域网、串口通信、或短距离无线通信等方式建立通信，由计算机读取采集模块采集到的数据，并将该数据通过广域网传输给市局或省局数据库；省局或市局将收到的数据在计算机上以类似雷达发射机面板图像的模式进行显示，达到远程监控的目的。

以上图1-8所示的雷达运行参数和故障信号采集控制板是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。