隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷進(jìn)步，具有顯著優(yōu)點(diǎn)的相控陣?yán)走_(dá)成為現(xiàn)代雷達(dá)的主流技術(shù)。由于相控陣?yán)走_(dá)設(shè)備量越來(lái)越大，機(jī)內(nèi)測(cè)試控制系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)越來(lái)越被重視。而雷達(dá)供電電源系統(tǒng)作為雷達(dá)上各分系統(tǒng)的動(dòng)力核心，對(duì)雷達(dá)各分系統(tǒng)的可靠工作起著至關(guān)重要的作用。供電電源狀態(tài)的好壞與用電設(shè)備的工作狀態(tài)息息相關(guān)。

當(dāng)一個(gè)復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，總體希望從電源監(jiān)控系統(tǒng)巾獲得的信息充分可靠，該信息即可以判定電源系統(tǒng)工作狀態(tài)，也能夠洞察用電設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常。因此，對(duì)電源系統(tǒng)的監(jiān)控管理勢(shì)在必行。采用先進(jìn)的電源監(jiān)控技術(shù)可以對(duì)電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)字信息交換、故障記錄顯示等。這樣，可以提高系統(tǒng)的技術(shù)性能，降低操作人員和維護(hù)人員的技能要求，提高系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)故障的平均維修時(shí)間，對(duì)設(shè)備量大的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)顯得更為重要。

本文介紹一種基于嵌入式單片機(jī)的串行內(nèi)總線電源監(jiān)控系統(tǒng)，作為一個(gè)分機(jī)節(jié)點(diǎn)，可以很方便地加入到雷達(dá)機(jī)內(nèi)測(cè)試控制系統(tǒng)的總線中，有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)。

1 電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成

機(jī)載雷達(dá)電源監(jiān)控系統(tǒng)由一臺(tái)電源監(jiān)控主機(jī)和8臺(tái)電源監(jiān)控分機(jī)組成，與其他分系統(tǒng)掛接在機(jī)內(nèi)測(cè)試控制系統(tǒng)的總線上。

圖1所示為電源監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)內(nèi)測(cè)試控制系統(tǒng)以及其他分系統(tǒng)之間的連接關(guān)系。其中M0為機(jī)內(nèi)測(cè)試控制系統(tǒng)的主處理機(jī)，通過(guò)RS-422串行總線的接口方式，與電源監(jiān)控系統(tǒng)和其他分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。其中電源監(jiān)控主機(jī)一方面與機(jī)內(nèi)測(cè)試控制系統(tǒng)的主處理機(jī)M0進(jìn)行通信，接收M0發(fā)來(lái)的各種控制命令，轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)電源監(jiān)控分機(jī)；另一方面，將各個(gè)電源監(jiān)控分機(jī)采集來(lái)的各個(gè)電源的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)處理后傳送給主處理機(jī)M0。電源監(jiān)控主機(jī)和監(jiān)控分機(jī)之間的接口同樣采用RS-422串行總線方式。

1.1 電源監(jiān)控主機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

由圖1可知，電源監(jiān)控主機(jī)既要與上位機(jī)M0通信，又要與8臺(tái)電源監(jiān)控分機(jī)進(jìn)行通信。這就要求電源監(jiān)控主機(jī)至少能夠提供2個(gè)串行通信口。大部分MSC-51系列的單片機(jī)只有1個(gè)串行口，必須對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)充，有幾種方案可以選擇：

a) 方案1：采用2片單片機(jī)M1和M2，各自有一個(gè)串行口，M1的串行口與上位機(jī)M0通信，M2的串行口與各個(gè)電源監(jiān)控分機(jī)通信，M1與M2之間采用并行口傳送數(shù)據(jù)。

b) 方案2：同方案1，只是M1與M2之間采用雙幾R(shí)AM來(lái)交換數(shù)據(jù)。

c) 方案3：選取具有2個(gè)獨(dú)立串行口的CPU，一個(gè)與上位機(jī)M0通信，另一個(gè)與8個(gè)下位機(jī)通信，在CPU內(nèi)部RAM完成數(shù)據(jù)交換。

分別對(duì)這3個(gè)方案做了試驗(yàn)并進(jìn)行比較。方案1成本低，但軟件較復(fù)雜，中斷多，易發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)有丟失現(xiàn)象；方案2數(shù)據(jù)通信可靠性好，但是軟硬件設(shè)計(jì)都比較復(fù)雜；方案3軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)交換可靠性高，但是成本略高。

綜合各方面因素，本文采用方案3。電源監(jiān)控主機(jī)采用Cygnal公司的C8051F021單片機(jī)作為主控CPU，它是Cygnal公司開(kāi)發(fā)的全集成混合信號(hào)在片系統(tǒng)單片機(jī)系列中功能比較齊全的一款。SOC(在片系統(tǒng))是一個(gè)全新的概念，是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展、集成度越來(lái)越高、對(duì)嵌入式控制技術(shù)的可靠性要求越來(lái)越高而產(chǎn)生的。

C8051F021片內(nèi)資源包括：32個(gè)通用數(shù)字I／O端口、64kB的Flash存儲(chǔ)器、4352B的RAM、8通道12位和8通道10位的A／D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)12位D／A轉(zhuǎn)換器、2個(gè)模擬量比較器、5個(gè)通用定時(shí)器和PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列)。另外，還具有外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口、SMBus／I2C總線、SPI總線、2路UART總線、片內(nèi)電源監(jiān)視、片內(nèi)溫度監(jiān)視、片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器和片內(nèi)時(shí)鐘源等。以上數(shù)字資源接口都可根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行選擇，然后利用片內(nèi)交叉開(kāi)關(guān)分配到相應(yīng)的I／O端口，未使用的資源將不占用通用I／O端口，這種方法既有利于資源的靈活配置，又有利于資源的充分利用，使芯片的通用性獲得極大的提高。

在強(qiáng)大而豐富的片內(nèi)資源的支持下，C8051F021還具有以下主要特點(diǎn)：

a) 高速的與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容的微控制器內(nèi)核CIP-51，采用流水線結(jié)構(gòu)，其70％的指令在1～2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，在25 MHz內(nèi)部時(shí)鐘下，指令最快執(zhí)行速度可高達(dá)25 MIPS(百萬(wàn)條指令每秒)。

b) 大容量的Flash存儲(chǔ)器，可實(shí)現(xiàn)在線編程和用于非易失性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)器可按512 B為一扇區(qū)編程，且不需特殊的片外編程電壓。

c) 片內(nèi)的JTAG仿真電路提供全速、非侵占式(即不使用在片資源)的電路仿真，可以很方便實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)、單步觀察點(diǎn)、運(yùn)行和停止等調(diào)試命令，且支持存儲(chǔ)器和寄存器的在線校驗(yàn)和修改，開(kāi)發(fā)效率大大提高。

d) 內(nèi)部有2個(gè)全雙工的異步串行口UART0和UART1，它們除了具有標(biāo)準(zhǔn)串行口的功能外，還具有幀錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)和地址識(shí)別硬件，還有一個(gè)完全符合系統(tǒng)管理總線標(biāo)準(zhǔn)的串行接口SMBus和一個(gè)SPI(串行外設(shè)接口)，這些串行總線都完全由硬件實(shí)現(xiàn)且都可以產(chǎn)生中斷，不共享定時(shí)器、中斷或I／O端口，因此可以同時(shí)使用所有的串行口。

本系統(tǒng)中的電源監(jiān)控主機(jī)充分利用了C8051F021內(nèi)部的各種資源，特別是利用它的2個(gè)異步串行口可以很方便地完成與上位機(jī)(主處理機(jī)M0)的數(shù)據(jù)交換和與監(jiān)測(cè)各個(gè)電源的8臺(tái)電源監(jiān)控分機(jī)的數(shù)據(jù)交換。其硬件電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)圖略。

1.2 電源監(jiān)控分機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中有8臺(tái)監(jiān)控分機(jī)，分別集成在8臺(tái)電源機(jī)箱中，通過(guò)RS-422串行總線方式與監(jiān)控主機(jī)接口。每臺(tái)監(jiān)控分機(jī)主要完成對(duì)各自電源工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，記錄包括開(kāi)／關(guān)機(jī)狀態(tài)、輸入過(guò)壓／欠壓、輸出過(guò)壓／欠壓、輸入過(guò)流、過(guò)溫、輸入缺相等狀態(tài)。監(jiān)控分機(jī)定時(shí)采集這些狀態(tài)值并保存在RAM中，當(dāng)監(jiān)控主機(jī)接收到主處理機(jī)M0發(fā)來(lái)的查詢(xún)命令后，通過(guò)與監(jiān)控分機(jī)進(jìn)行多機(jī)通信，將各個(gè)電源分機(jī)的狀態(tài)值上傳給M0，由M0進(jìn)行分析處理?？紤]到器件的環(huán)境適應(yīng)性，電源監(jiān)控分機(jī)的CPU采用Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)中的MD8751芯片，其內(nèi)含4 kB EPROM，無(wú)需進(jìn)行片外擴(kuò)展。

圖2所示為電源監(jiān)控分機(jī)硬件的結(jié)構(gòu)框圖。

2 多機(jī)通信過(guò)程

本系統(tǒng)中，電源監(jiān)控主機(jī)與8臺(tái)電源監(jiān)控分機(jī)通過(guò)RS-422，串行總線接口進(jìn)行多機(jī)通信。電源監(jiān)控分機(jī)的CPU中包含1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的異步傳輸串行口(UART)，而電源監(jiān)控主機(jī)的CPU是包含2個(gè)功能完全相同的UART，它們除了具有8051標(biāo)準(zhǔn)串行口的功能外，還具有幀錯(cuò)誤檢測(cè)和地址識(shí)別硬件，稱(chēng)為增強(qiáng)型UART。為了提高監(jiān)控主機(jī)與監(jiān)控分機(jī)串行口之間的兼容性，設(shè)置監(jiān)控主機(jī)CPU的UART工作在標(biāo)準(zhǔn)型。監(jiān)控主機(jī)和監(jiān)控分機(jī)的UART接口分別通過(guò)一對(duì)RS-422的差分發(fā)送器DS26LS31和差分接收器DS26LS32進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。通信過(guò)程中監(jiān)控主機(jī)的發(fā)送門(mén)和接收門(mén)始終打開(kāi)，而監(jiān)控分機(jī)的接收門(mén)始終打開(kāi)，而發(fā)送門(mén)由某指定信號(hào)控制。

在MCS-51系列單片機(jī)中，串行口工作在方式2或方式3，通過(guò)使用第9數(shù)據(jù)位可以支持一臺(tái)主處理器與1個(gè)或多個(gè)從處理器之間的多機(jī)通信。當(dāng)主機(jī)想發(fā)送數(shù)據(jù)給多個(gè)從機(jī)中某個(gè)時(shí)，它先發(fā)送一個(gè)用于選擇目標(biāo)的地址字節(jié)。地址字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)的區(qū)別是：地址字節(jié)的第9位為邏輯1，數(shù)據(jù)字節(jié)的第9位總是設(shè)置為邏輯0。主機(jī)發(fā)送的地址信息可以被各從機(jī)接收，而主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息只能被指定從機(jī)接收，從機(jī)之間不能直接通信。從機(jī)利用串行口控制寄存器SCON中的SM2位來(lái)控制地址和數(shù)據(jù)幀的接收。主機(jī)與多個(gè)從機(jī)之間異步通信過(guò)程如下：

a) 使所有從機(jī)的SM2位置1處于只接收地址幀的狀態(tài)。

b) 主機(jī)先發(fā)送一幀地址信息，其中8位地址，第9位為地址／信息的標(biāo)志位，該位置1表示該幀為地址信息，否則為數(shù)據(jù)信息。

c) 當(dāng)從機(jī)接收到地址幀后，各自將接收的地址與本機(jī)的地址比較。只有地址相符的那個(gè)從機(jī)，使SM2位清零，準(zhǔn)備接收主機(jī)隨后發(fā)來(lái)的信息；其余地址不符的從機(jī)，保持SM2=1，繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)地址幀。

d) 主機(jī)收到從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)后，如果地址相符，準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)信息，向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或命令；如果地址不符，發(fā)復(fù)位信號(hào)，準(zhǔn)備下一次的尋址過(guò)程。

e) 接著主機(jī)向從機(jī)發(fā)送約定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后，發(fā)送一幀校驗(yàn)和，并等待接收從機(jī)回送的校驗(yàn)和。

f) 若校驗(yàn)和正確，主機(jī)發(fā)送停止位，要求從機(jī)復(fù)位，完成與該分機(jī)通信；若不正確，則要求重發(fā)一次。

g) 從機(jī)收到復(fù)位命令后置SM2=1，回到監(jiān)聽(tīng)地址幀狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

由于機(jī)載環(huán)境對(duì)程序空間、時(shí)間要求高，要求數(shù)據(jù)采集、處理速度快，本文采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。機(jī)內(nèi)測(cè)試控制系統(tǒng)的主處理器M0要求每隔50 ms刷新系統(tǒng)的所有狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此M0需要定時(shí)發(fā)送命令給各分系統(tǒng)，以獲取最新的各系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。電源監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控主機(jī)根據(jù)M0發(fā)來(lái)的命令進(jìn)行相應(yīng)的操作。

如果接收的是控制命令(即開(kāi)關(guān)機(jī)命令)，監(jiān)控主機(jī)立即將該命令轉(zhuǎn)發(fā)各個(gè)監(jiān)控分機(jī)，控制各個(gè)電源的開(kāi)關(guān)操作。如果接收的是查詢(xún)命令，監(jiān)控主機(jī)將緩沖內(nèi)存中的各個(gè)分機(jī)的狀態(tài)值發(fā)送給M0。為確保上傳的數(shù)據(jù)為最新值，監(jiān)控分機(jī)每隔1 ms采集一次相應(yīng)電源的各個(gè)狀態(tài)量，而監(jiān)控主機(jī)則每隔5 ms與8臺(tái)分機(jī)通信，讀取各分機(jī)的狀態(tài)值，并保存在緩沖內(nèi)存中，以便M0的查詢(xún)。電源監(jiān)控主機(jī)的CPU既處理與M0的數(shù)據(jù)交換，又要與8臺(tái)監(jiān)控分機(jī)進(jìn)行多機(jī)通信，程序相對(duì)復(fù)雜。

電源監(jiān)控主機(jī)的主程序流程圖如圖3所示。

與監(jiān)控分機(jī)進(jìn)行多機(jī)通信的中斷子程序流程圖如圖4所示。

4 抗干擾設(shè)計(jì)

機(jī)載雷達(dá)工作環(huán)境惡劣，對(duì)設(shè)備的可靠性要求高，電源單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)暴露在強(qiáng)EMI(電磁干擾)環(huán)境下，易受干擾，可靠性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。電源及其凈化、接地、屏蔽、隔離和濾波等技術(shù)均關(guān)系到單片機(jī)控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。硬件方面，系統(tǒng)采用高速光耦實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完全隔離，采用屏蔽線纜，有效地抑制了外界干擾對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的影響，尤其是電源監(jiān)控分機(jī)，與一次電源高壓大電流部分距離很近，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了屏蔽層，信號(hào)傳送采用帶有屏蔽層的連接器。在PCB(印制電路板)布線時(shí)，合理放置去耦電容，同時(shí)盡量采用片內(nèi)存儲(chǔ)器，增加硬件看門(mén)狗電路；軟件方面，在程序中定期進(jìn)行初始化處理，增加重要指令執(zhí)行次數(shù)，從而有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

電源監(jiān)控系統(tǒng)采用嵌人式微機(jī)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，作為一個(gè)分節(jié)點(diǎn)，首次加入機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)內(nèi)總線控制系統(tǒng)，使雷達(dá)系統(tǒng)具有對(duì)電源分系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)處理主機(jī)來(lái)說(shuō)，只是增加了一個(gè)分機(jī)節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

電源監(jiān)控主機(jī)采用串行內(nèi)總線控制系統(tǒng)，選取具有雙串行口的CPU分別與主處理機(jī)和多臺(tái)監(jiān)控分機(jī)進(jìn)行通信，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和可靠性，符合現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展方向。