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CPLD在發(fā)射機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：可編程控制器（PLD）自20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)以來，就以其靈活、高效、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)受到設(shè)計者的青睞。而CPLD是20世紀(jì)90年代推出的一種復(fù)雜的PLD，其主要特征是集成規(guī)模大于1000門以上的可編程邏輯器件。它以其更大的容量，更快的速度，更強(qiáng)的仿真能力，增強(qiáng)了電路設(shè)計的靈活性。不但降低了開發(fā)成本，而且減小了設(shè)計風(fēng)險。因此，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)發(fā)射機(jī)的工作特點(diǎn)，介紹了用CPLD完成對發(fā)射機(jī)的控制和保護(hù)功能。引言
雷達(dá)發(fā)射機(jī)的控制保護(hù)電路中的邏輯控制，大多采用＋15V的CMOS邏輯，各種故障的比較采用的是模擬比較。這不僅使元器件分散，不易集成（因為沒有＋15V電壓的可編程器件），不能編程，修改困難。最主要的問題是采樣電壓都是模擬電壓，不能與單片機(jī)和計算機(jī)連，不易做液晶顯示。而現(xiàn)在進(jìn)口的發(fā)射機(jī)基本上都帶液晶顯示，界面良好，想看某個電壓就可以顯示某個電壓，并且已經(jīng)把這一部分電路模塊化了。同時，一些大型的數(shù)控機(jī)床及環(huán)境實驗箱現(xiàn)在也都是用數(shù)字信號控制和顯示的，所以，模擬信號數(shù)字化是發(fā)射機(jī)控制保護(hù)電路的發(fā)展方向。
現(xiàn)在采用先進(jìn)的CPLD技術(shù)，將控制開關(guān)機(jī)順序的組合邏輯用一片CPLD來實現(xiàn)；而故障比較部分用A/D變換器把采樣的模擬信號變成數(shù)字信號，再用另一片CPLD進(jìn)行數(shù)字比較，使各路的故障比較由原來的并行工作，改成串行工作。這兩部分完成了控制保護(hù)系統(tǒng)的控制和保護(hù)兩大功能，而且大大減少了元器件數(shù)量。
本文就如何用CPLD實現(xiàn)預(yù)熱延時、風(fēng)冷延時，加電的順序控制，各種故障的指示，消除按鍵的抖動等功能；如何用CPLD實現(xiàn)串行采樣、數(shù)字比較；如何實現(xiàn)各種取樣的模擬電壓與數(shù)字信號的銜接；如何解決電平變成＋5V后，可能會帶來控制保護(hù)系統(tǒng)的誤報故障；以及如何在控制保護(hù)電路地跟發(fā)射機(jī)地連在一起時，濾掉紋波保證A/D的精度等方面，進(jìn)行了簡述。
本系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)如下：
——使用了先進(jìn)的CPLD技術(shù)，使編程和修改更加容易，可移植性增強(qiáng)；
——元器件數(shù)量減少，控制簡單方便，提高了系統(tǒng)的可靠性；
——有各種故障指示，當(dāng)出現(xiàn)故障時可以準(zhǔn)確定位。
1 對發(fā)射機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)的要求
發(fā)射機(jī)由于其行波管非常昂貴，而且行波管的陰極電壓和收集極電壓都是高壓，輸出功率很大，所以，發(fā)射機(jī)的控制保護(hù)系統(tǒng)尤為重要。要求在出現(xiàn)任何一種故障時，控制保護(hù)系統(tǒng)都能發(fā)現(xiàn)故障，并且切斷供給行波管的高壓。控制保護(hù)系統(tǒng)分為控制和保護(hù)二部分，各部分具體要求如下。
1.1 控制部分
1.1.1 開關(guān)機(jī)順序
開機(jī)時燈絲要有足夠的預(yù)熱時間，一般預(yù)熱時間需要3～5min。只有在燈絲電壓達(dá)到一定的幅度，預(yù)熱達(dá)到要求時間，以及沒有任何故障的情況下，才允許加高壓。待高壓加到一定的幅度才允許加觸發(fā)脈沖。關(guān)機(jī)時，應(yīng)先切斷高壓，后切斷低壓，而且低壓切斷后，要求風(fēng)冷延時斷電，使行波管的風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作1～2min，再切斷電源。所以，控制保護(hù)電路中要具有預(yù)熱延時和風(fēng)冷延時功能。
1.1.2 故障處理
在高壓加上后，如果出現(xiàn)任何故障，應(yīng)該立即切斷高壓，以免造成行波管或高壓電源損壞。
1.1.3 顯示
發(fā)射機(jī)在正常工作時應(yīng)有顯示，在故障發(fā)生時也應(yīng)該有顯示。
在正常工作時，加上低壓，“預(yù)熱”燈亮。預(yù)熱時間達(dá)到后，如果沒有任何故障，“待機(jī)”燈亮，這時按下“高壓通”鍵，“高壓通”燈亮。
發(fā)生故障時，無論是何種故障，該故障對應(yīng)的顯示燈都應(yīng)亮。共有11種故障燈，分別是陰極過壓、收集極過壓、燈絲欠壓、螺旋線過流、總供電過流、重頻故障、反射功率故障、行波管過熱、二組合過熱、光纖故障、門開關(guān)故障。
1.2 保護(hù)部分
發(fā)射機(jī)具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、溫度保護(hù)、占空比保護(hù)、駐波保護(hù)、門開關(guān)保護(hù)等功能。
1.2.1 過壓保護(hù)
對于行波管來說，它的陰極和收集極電壓都很高，現(xiàn)在大多采用開關(guān)電源，電壓很快就升到行波管要求的陰極和收集極電壓。如果反饋環(huán)路一旦失控，將使行波管因為過壓而燒毀。所以，必須檢測行波管陰極和收集極電壓，一旦出現(xiàn)過壓立刻將高壓切斷。主要是切斷開關(guān)電源的脈寬調(diào)制器的輸出脈沖，使主功率器件沒有驅(qū)動脈沖，達(dá)到保護(hù)的目的。
1.2.2 過流保護(hù)
包括螺旋線過流保護(hù)和總供電的過流保護(hù)。前者主要是保護(hù)行波管，防止行波管的螺旋線因電流過大而燒毀。后者是保護(hù)高壓電源和行波管，防止高壓電源短路或電流過大造成對行波管和高壓電源的損害。
1.2.3 溫度保護(hù)
發(fā)射機(jī)由于輸出功率大，使得其本身的功耗較大，另外，一些功率器件也比較熱，雖然有風(fēng)冷系統(tǒng)，但為了安全而在關(guān)鍵件上另加溫度保護(hù)電路，一旦超過所設(shè)定的溫度門限，立即切斷高壓，使該器件不致因溫度過高而損壞。
1.2.4 占空比保護(hù)
脈沖行波管的占空比是行波管的主要指標(biāo)，如果超過允許的最大占空比會損害行波管，所以，對輸入脈沖的占空比要有限制，一旦超過，立即切斷高壓，使行波管不工作。
1.2.5 駐波保護(hù)
行波管是發(fā)射功率器件，如果反射的功率過大會損壞行波管，所以設(shè)置駐波保護(hù)。
1.2.6 門開關(guān)保護(hù)
由于發(fā)射機(jī)內(nèi)有高壓，為保護(hù)人身安全，不允許在發(fā)射機(jī)開蓋的狀態(tài)下加高壓。
2 控制保護(hù)系統(tǒng)功能的實現(xiàn)
2.1 組合控制邏輯
由一片CPLD（圖1中為CPLD1）完成如下功能：——風(fēng)冷延時和預(yù)熱延時；
——接受鍵盤上的“低壓通/斷”、“高壓通”、“高壓斷”、“復(fù)位”、“天線/負(fù)載轉(zhuǎn)換”等指令，產(chǎn)生相應(yīng)的邏輯；
——控制加高壓的順序，必須先通低壓，加燈絲電壓、待燈絲“預(yù)熱”狀態(tài)結(jié)束，并無任何故障時，才允許加高壓；高壓升到一定的幅度才允許加觸發(fā)脈沖；當(dāng)出現(xiàn)任何故障的時候，都必須首先切斷高壓；完成正常狀態(tài)與故障狀態(tài)的顯示和編碼，即把各種狀態(tài)指示出來，如按“低壓通”鍵時，“低壓通”燈應(yīng)亮；預(yù)熱狀態(tài)時“預(yù)熱”燈亮；風(fēng)冷狀態(tài)下“風(fēng)冷”燈應(yīng)亮；預(yù)熱狀態(tài)結(jié)束時，“高壓斷”燈應(yīng)亮；按“高壓通”鍵時，“高壓通”燈應(yīng)亮；當(dāng)發(fā)生任何故障時，均應(yīng)切斷高壓，“保護(hù)”燈應(yīng)亮，同時對應(yīng)該故障的燈應(yīng)亮；當(dāng)故障排除后，按“復(fù)位”鍵，系統(tǒng)應(yīng)能回到高壓斷狀態(tài)；另外，還要把多種故障編成碼，送中心機(jī)顯示。
2.2 時序控制邏輯
由另一片CPLD（圖1中為CPLD2）實現(xiàn)，這一片CPLD的功能
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