一种雷达发射机监控系统的双冗余实现方法与流程

本发明涉及雷达技术领域，具体是雷达发射机监控系统的双冗余实现方法。

背景技术：

机场监视一次雷达作为雷达系统应用的一个重要领域，对于监控机场附近各种飞机的活动情况以及引导众多飞机的起降和航行具有至关重要的作用。机场监视一次雷达的应用领域决定了其需要连续不间断的工作，这就对雷达系统的各个组成部分提出了严苛的要求。发射机分系统是该雷达系统的重要组成部分之一，其主要功能是对频率综合器输入的相参射频激励信号进行脉冲调制及功率放大，以产生天线辐射的射频信号。作为发射机分系统的控制与通讯核心，发射机监控系统主要完成将中心计算机输入的逻辑控制命令转换为对发射机的控制，将发射机的工作状态通过串口上报至中心计算机，同时完成对射频开关的控制转换及状态检测上报功能。因此，发射机监控系统能否可靠工作是发射机分系统能否正常可靠工作的前提。但传统的采用单部发射机监控单元的设计方案，在监控单元出现故障时，无法保证发射机分系统的正常工作，从而导致整个雷达系统无法可靠正常工作，为机场监视一次雷达的可靠应用埋下隐患。在此背景下，设计一种应用于机场监视一次雷达的可靠稳定工作的发射机分系统就显得尤为必要。对于已经采用固态放大模块进行功率合成输出的集中式发射机来说，实际上已经实现了放大模块的冗余工作功能，也即其中的一个射频放大模块或数个射频放大模块出现故障而不能正常工作时，仅仅会对雷达系统的探测威力产生影响，而不会使雷达系统失效而无法正常工作。因此，发射机分系统中的监控单元就成为影响发射机分系统稳定可靠工作的薄弱环节，就使得监控单元的双冗余设计显得格外重要和必要。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种雷达发射机监控系统的双冗余实现方法，解决了单套发射机监控单元出现故障时使得发射机分系统无法正常工作的问题，从而保证发射机分系统的可靠稳定工作，为机场监视一次雷达的整机连续不间断工作提供保障。

技术方案

一种雷达发射机监控系统的双冗余实现方法，所述的发射机监控系统包括监控单元a、监控单元b、共用母版、供电单元a和供电单元b，每套监控单元由控制监视板和检测驱动板组成，两套监控单元插装在一个共用母版上，由共用母板完成两套监控单元之间信号的互联；供电单元a、供电单元b以并联的方式分别给监控单元a、监控单元b供电；其特征在于两套监控单元同时加电工作，一套处于工作状态，另一套处于备份状态，通过中心计算机指定在线的监控单元；当在线监控单元检测到自身发生故障时，通过互锁信号，自动切换备份的监控单元进入在线工作状态；包括互锁逻辑的双冗余设计、发射机监控系统与放大器/驱动器之间的接口双冗余设计、发射机监控系统与射频开关和放大器/驱动器电源供电的控制电路设计、发射机监控系统与放大器/驱动器通信串口的检测设计；

所述的互锁逻辑的双冗余设计：

开机时，初始化信号使监控单元a、b都处于等待状态；控制监控单元a、b输出的使能信号为低电平失效，监控单元a、b都无信号输出；去往监控单元b的互锁信号为无效高电平，不能使监控单元b生效；中心计算机在开机后可设置监控单元a或监控单元b进入在线状态，这里假定的是监控单元a为工作状态，而监控单元b为在线备份状态；此时，中心计算机向监控单元a发出生效命令，加到切换电路的中心计算机命令信号为低电平，使控制监控单元a输出的使能信号为高电平生效，从而使监控单元a的信号输出生效；去监控单元b的互锁信号输出低电平，复位监控单元b的逻辑，使监控单元b的输出信号失效，从监控单元b到监控单元a的互锁信号为无效高电平；

当在线工作的监控单元a检测到自身出现故障时，需要切换到监控单元b工作；此时，由监控单元a的自检信号生成连接至监控单元b的信号为有效低电平，加到监控单元b的生效置1端，使控制监控单元b输出信号生效端使能信号为高电平生效，使监控单元b的信号输出生效；同时，使监控单元b的去往监控单元a的互锁信号输出低电平，复位监控电路a的逻辑，使监控单元a输出信号失效，从监控单元a到监控单元b的互锁信号为无效高电平；这样就切换到监控单元b在线工作，监控单元a进入备份维护状态，同时将监控单元a的故障通过串口上报至中心计算机；

对监控单元b为在线工作单元，切换到监控单元a的情况同样适用；

所述的发射机监控系统与放大器/驱动器之间的接口双冗余设计：

其中放大器/驱动器串行数据输入信号rxd分两路送到监控单元a的rxd和监控单元b的rxd，而串行数据输出信号txd需要通过在线/备份互锁信号来控制三态缓冲器的输出，即由在线的监控单元输出串行数据，假如监控单元a为在线状态，则由监控单元a输出串行数据；

所述的发射机监控系统与射频开关和放大器/驱动器电源供电的控制电路设计：

发射机监控系统接收中心计算机的命令，控制放大器/驱动器的+48v电源供电开关，控制射频开关进行切换；发射机监控系统在工作时由主控单片机将射频开关切换控制命令和+48v电源开关命令传送到fpga中锁存，经光电隔离后输出射频开关控制信号和+48v供电开关控制信号；放大器/驱动器的+48v电源开关是通过ttl电平进行控制，高电平电源开低电平电源关；开关控制信号通过光电隔离并经过驱动器输出开关控制信号；出于双冗余设计的考虑，最后输出的驱动器选用具有选通功能的器件，并由互锁信号使能；当前监控单元在线时，使能控制信号输出，而当处于备份状态时，控制输出处于高阻状态；射频开关通过ttl电平信号控制，分a、b两路输出，分别对应两个通道；当选通a通道时，控制输出a输出高电平，控制输出b输出低电平，反之亦然；开关控制信号通过光电隔离后，经反相器形成两路输出，分别通过驱动器输出开关控制信号，同样出于双冗余设计的考虑，最后输出的驱动器选用具有选通功能的器件，由互锁信号使能，在线时，使能控制信号输出，而当处于备份状态时，控制输出处于高阻状态；

所述的发射机监控系统与放大器/驱动器通信串口的检测设计：

在线监控单元工作时，定时发查询命令到放大器/驱动器串口，读取放大器/驱动器工作状态；如连续三次查询之后，都无数据响应，这时不能判断故障位置；将控制权切换给备份监控单元，备份监控单元进入在线状态后，再次发查询命令到放大器/驱动器串口，这时如通信正常，可判断原监控单元串口故障；如通信仍不正常，可判断放大器/驱动器串口故障。

有益效果

本发明提出的一种雷达发射机监控系统的双冗余实现方法，有益效果如下：

1)相较于传统的使用单部发射机监控单元对发射机进行控制并与雷达系统进行通讯的体制来说，本发明提出的发射机监控系统双冗余实现方式，使得在单部监控单元出现故障而无法工作时可以切换到另一部监控单元工作，极大的提高了发射机监控系统的可靠性。假定单个监控单元的可靠度为0.85，在采用本发明提出的方法后，可靠度可以增加为1-(1-0.85)²＝0.9775。可以看出，可靠度得到极大提高，从而大大提高了雷达整机系统的可靠性，为雷达系统的稳定可靠工作提供技术保障。

2)通过本发明提出的发射机监控系统的双冗余实现方式，可以使发射机监控单元a和b轮流交替工作，增加了发射机监控系统的使用寿命。

3)采用两块供电单元并联工作为发射机监控系统供电，使得在一个电源模块出现故障或问题不能继续为发射机监控系统提供供电时的问题得到很好改善，极大的提高了发射机监控系统的可靠性。

附图说明

图1发射机监控系统双冗余实现的工作原理框图

图2监控单元双冗余切换工作原理框图

图3放大器/驱动器监控电路工作原理框图

图4与放大器/驱动器的双冗余接口工作原理框图

图5与射频开关和放大器/驱动器电源供电的控制电路工作原理框图

图6射频开关控制电路工作原理框图

具体实施方式

本发明实现的发射机监控系统双冗余方案主要实现对中心计算机输入的脉冲调制信号的分配，对发射机放大模块和驱动模块的控制及工作状态上报，对发射机放大模块和驱动模块的电源控制及状态上报，对波导开关和同轴开关的切换控制及状态上报，以及对发射机前向和反向功率、天线反向功率进行检测及状态上报功能。

本发明实现的雷达发射机监控系统双冗余方案并不是简单地将两套单独的发射机监控单元进行并联处理，使其工作即可，而是在并联处理的基础上，增加了输出状态控制、控制切换逻辑等功能，以使得两套监控单元在中心计算机和自身自检逻辑的基础上同步协调工作，完成发射机监控单元的功能。本发明设计的双冗余发射机监控系统由两套相同的发射机监控单元、共用母版以及供电单元组成。每套监控单元由控制监视板和检测驱动板组成。两套发射机监控单元插装在一块共用母板上，由共用母板完成两套监控单元之间信号的互联。发射机监控系统完成对发射机分系统内所有硬件的监视和控制功能。该监控系统采用双冗余方式工作，两套监控单元同时加电工作，一套处于工作状态，另一套处于备份状态。可以接收中心计算机的控制命令，指定在线的监控单元；同时，当在线监控单元检测到自身发生故障时，可以自动切换备份的监控单元进入在线工作状态。

因为供电单元通常是电子设备失效的主要原因之一，因此，本发明的发射机监控系统正常工作所需要的直流供电由两块相同电源模块并联的方式实现，两块电源模块同时工作。其中一块电源有故障时不影响发射机监控系统的正常工作，除非两块电源模块同时损坏。这种实现方式使得在一个电源模块出现故障或问题不能继续为发射机监控系统提供供电时的问题得到很好改善，极大的提高了发射机监控系统的可靠性。另外，两块电源模块也可以通过雷达的终端界面进行“待机”或“工作”的切换控制。

本发明的发射机监控系统的双冗余实现工作原理框图见图1。发射机监控系统完成对发射机中各部分的监控功能。接收中心计算机的命令，对发射机中放大器、驱动器进行开关控制；接收发射机内部的检测信号，形成状态报告，上报中心计算机；除监控功能以外，发射机监控系统还接收来自中心计算机的逻辑控制命令，并把这些命令转换成对各类射频开关的控制。发射机监控系统采用双冗余方式工作，可以由中心计算机指定其中一个监控单元工作，另一个进入备份状态。当在线工作的发射机监控单元检测到自身故障时，通过互锁信号，切换备份的监控单元进入在线工作状态。

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

1、双冗余设计中互锁逻辑的实现

发射机监控系统的双冗余设计要求在两种情况下完成监控单元a和监控单元b的切换。一种情况是通过中心计算机指定监控单元a或监控单元b工作，另一种情况是当在线监控单元工作时检测到自身出现故障，自动将备份的监控单元切换成在线工作状态，而使故障的监控单元进入备份工作状态，以便维修。互锁逻辑的实现是围绕这两种情况的实现展开的。

为了实现监控单元a和监控单元b之间的切换，每个监控单元涉及的接口信号有(以监控单元a为例)：a)中心计算机发来的切换命令；b)监控单元a去监控单元b的互锁信号；c)监控单元a接收来自监控单元b的互锁信号；d)监控单元a自检有故障时，去监控单元b的要求b生效信号；5)监控单元b有故障时，来自监控单元b的要求a生效信号。下面以监控单元a在线工作为例，说明监控单元双冗余切换逻辑，工作原理框图见图2图2。

开机时，初始化信号使监控单元a、b都处于等待状态。控制监控单元a、b输出的使能信号为低电平失效，监控单元a、b都无信号输出。去往监控单元b的互锁信号为无效高电平，不能使监控单元b生效。中心计算机在开机后可设置监控单元a或监控单元b进入在线状态，这里假定的是监控单元a为工作状态，而监控单元b为在线备份状态。此时，中心计算机向监控单元a发出生效命令，加到切换电路的中心计算机命令信号为低电平，使控制监控单元a输出的使能信号为高电平生效，从而使监控单元a的信号输出生效；去监控单元b的互锁信号输出低电平，复位监控单元b的逻辑，使监控单元b的输出信号失效，从监控单元b到监控单元a的互锁信号为无效高电平。

当在线工作的监控单元a检测到自身出现故障时，需要切换到监控单元b工作。此时，由监控单元a的自检信号生成连接至监控单元b的信号为有效低电平，加到监控单元b的生效置1端，使控制监控单元b输出信号生效端使能信号为高电平生效，使监控单元b的信号输出生效；同时，使监控单元b的去往监控单元a的互锁信号输出低电平，复位监控电路a的逻辑，使监控单元a输出信号失效，从监控单元a到监控单元b的互锁信号为无效高电平。这样就切换到监控单元b在线工作，监控单元a进入备份维护状态，同时将监控单元a的故障通过串口上报至中心计算机。

上述说明，对监控单元b为在线工作单元，切换到监控单元a的情况同样适用。

2、发射机监控系统与放大器/驱动器之间的接口

发射机监控系统通过异步串口对放大器/驱动器进行射频开关控制，并接收放大器/驱动器的状态信息，上报到中心计算机。根据雷达系统的总体需求，发射机监控系统需要有18路异步串行接口，以完成与16路放大器和2路驱动器之间的通信。而根据雷达系统的控制和通讯要求，每个放大器/驱动器通过异步串口上传的状态信息有两个字节。第一个字节为放大器或驱动器的状态，第二个字节为放大器或驱动器的温度采样值。考虑到电路设计的灵活性并减小电路规模，选用具有双串口的单片机ds89c450作为通信接口与放大器/驱动器通信，共使用9块单片机与18路放大器/驱动器进行通信。放大器/驱动器监控电路工作原理框图见图3。在工作时，各从单片机将接收到的信息写入fpga中，在fpga中将接收到的数据字节存储并编址，由主控单片机寻址读取数据，形成状态报告，上报中心计算机。主控单片机同时也接收中心计算机发送来的放大器/驱动器控制命令，将命令通过fpga传送到与放大器/驱动器通信的从单片机，由从单片机通过串口发送命令到放大器/驱动器，控制放大器/驱动器的射频开关。发射机监控系统工作时，通过串口从放大器/驱动器读取状态数据。由于有18路数据需要读取，在逻辑设计中将该过程分为两个阶段：第一个阶段时从单片机将接收到的信息写入fpga存储单元，第二阶段时按不同放大器/驱动器寻址，将相应数据从fpga读入主单片机。

2.1双冗余方式工作接口设计

由于发射机监控系统采用双冗余方式设计，因此，系统实现时监控单元a和监控单元b都要与放大器/驱动器进行串口连接。与放大器/驱动器的双冗余接口工作原理框图见图4。其中放大器/驱动器串行数据输入信号rxd可以分两路送到监控单元a的rxd和监控单元b的rxd，而串行数据输出信号txd需要通过在线/备份互锁信号来控制三态缓冲器的输出，即由在线的监控单元输出串行数据，假如监控单元a为在线状态，则由监控单元a输出串行数据。

3、与射频开关和放大器/驱动器电源供电的控制电路设计

发射机监控系统与射频开关和放大器/驱动器电源供电的控制电路工作原理框图如图5所示。发射机监控系统接收中心计算机的命令，控制放大器/驱动器的+48v电源供电开关，控制射频开关(包括低波束、高波束、气象、通道选择和检测开关)进行切换。如图5图5所示，发射机监控系统在工作时由主控单片机将射频开关切换控制命令和+48v电源开关命令传送到fpga中锁存，经光电隔离后输出射频开关控制信号和+48v供电开关控制信号。放大器/驱动器的+48v电源开关是通过ttl电平进行控制，高电平电源开低电平电源关。开关控制信号通过光电隔离并经过驱动器输出开关控制信号。出于双冗余设计的考虑，最后输出的驱动器选用具有选通功能的器件，并由互锁信号使能。当前监控单元在线时，使能控制信号输出，而当处于备份状态时，控制输出处于高阻状态。射频开关通过ttl电平信号控制，分a、b两路输出，分别对应两个通道。当选通a通道时，控制输出a输出高电平，控制输出b输出低电平，反之亦然；开关控制信号通过光电隔离后，经反相器形成两路输出，分别通过驱动器输出开关控制信号，工作原理框图见图6。同样出于双冗余设计的考虑，最后输出的驱动器选用具有选通功能的器件，由互锁信号使能，在线时，使能控制信号输出，而当处于备份状态时，控制输出处于高阻状态。

4、与放大器/驱动器通信串口的检测设计

在发射机监控系统与放大器/驱动器进行串口通信时，通信出现故障既可能是监控单元的通信口损坏，也可能是放大器、驱动器串口损坏，需要一定的逻辑判断来区分故障。通信串口的检测逻辑设计如下：在线监控单元工作时，定时发查询命令到放大器/驱动器串口，读取放大器/驱动器工作状态。如连续三次查询之后，都无数据响应，这时不能判断故障位置。将控制权切换给备份监控单元，备份监控单元进入在线状态后，再次发查询命令到放大器/驱动器串口，这时如通信正常，可判断原监控单元串口故障；如通信仍不正常，可判断放大器/驱动器串口故障。