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CPLD在發(fā)射機控制保護系統中的應用
摘要：可編程控制器（PLD）自20世紀60年代末出現以來(lái)，就以其靈活、高效、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)受到設計者的青睞。而CPLD是20世紀90年代推出的一種復雜的PLD，其主要特征是集成規模大于1000門(mén)以上的可編程邏輯器件。它以其更大的容量，更快的速度，更強的仿真能力，增強了電路設計的靈活性。不但降低了開(kāi)發(fā)成本，而且減小了設計風(fēng)險。因此，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應用。根據發(fā)射機的工作特點(diǎn)，介紹了用CPLD完成對發(fā)射機的控制和保護功能。引言
雷達發(fā)射機的控制保護電路中的邏輯控制，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(méi)有＋15V電壓的可編程器件），不能編程，修改困難。最主要的問(wèn)題是采樣電壓都是模擬電壓，不能與單片機和計算機連，不易做液晶顯示。而現在進(jìn)口的發(fā)射機基本上都帶液晶顯示，界面良好，想看某個(gè)電壓就可以顯示某個(gè)電壓，并且已經(jīng)把這一部分電路模塊化了。同時(shí)，一些大型的數控機床及環(huán)境實(shí)驗箱現在也都是用數字信號控制和顯示的，所以，模擬信號數字化是發(fā)射機控制保護電路的發(fā)展方向。
現在采用先進(jìn)的CPLD技術(shù)，將控制開(kāi)關(guān)機順序的組合邏輯用一片CPLD來(lái)實(shí)現；而故障比較部分用A/D變換器把采樣的模擬信號變成數字信號，再用另一片CPLD進(jìn)行數字比較，使各路的故障比較由原來(lái)的并行工作，改成串行工作。這兩部分完成了控制保護系統的控制和保護兩大功能，而且大大減少了元器件數量。
本文就如何用CPLD實(shí)現預熱延時(shí)、風(fēng)冷延時(shí)，加電的順序控制，各種故障的指示，消除按鍵的抖動(dòng)等功能；如何用CPLD實(shí)現串行采樣、數字比較；如何實(shí)現各種取樣的模擬電壓與數字信號的銜接；如何解決電平變成＋5V后，可能會(huì )帶來(lái)控制保護系統的誤報故障；以及如何在控制保護電路地跟發(fā)射機地連在一起時(shí)，濾掉紋波保證A/D的精度等方面，進(jìn)行了簡(jiǎn)述。
本系統的技術(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；
——元器件數量減少，控制簡(jiǎn)單方便，提高了系統的可靠性；
——有各種故障指示，當出現故障時(shí)可以準確定位。
1 對發(fā)射機控制保護系統的要求
發(fā)射機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)射機的控制保護系統尤為重要。要求在出現任何一種故障時(shí)，控制保護系統都能發(fā)現故障，并且切斷供給行波管的高壓�？刂票Ｗo系統分為控制和保護二部分，各部分具體要求如下。
1.1 控制部分
1.1.1 開(kāi)關(guān)機順序
開(kāi)機時(shí)燈絲要有足夠的預熱時(shí)間，一般預熱時(shí)間需要3～5min。只有在燈絲電壓達到一定的幅度，預熱達到要求時(shí)間，以及沒(méi)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)機時(shí)，應先切斷高壓，后切斷低壓，而且低壓切斷后，要求風(fēng)冷延時(shí)斷電，使行波管的風(fēng)機繼續工作1～2min，再切斷電源。所以，控制保護電路中要具有預熱延時(shí)和風(fēng)冷延時(shí)功能。
1.1.2 故障處理
在高壓加上后，如果出現任何故障，應該立即切斷高壓，以免造成行波管或高壓電源損壞。
1.1.3 顯示
發(fā)射機在正常工作時(shí)應有顯示，在故障發(fā)生時(shí)也應該有顯示。
在正常工作時(shí)，加上低壓，“預熱”燈亮。預熱時(shí)間達到后，如果沒(méi)有任何故障，“待機”燈亮，這時(shí)按下“高壓通”鍵，“高壓通”燈亮。
發(fā)生故障時(shí)，無(wú)論是何種故障，該故障對應的顯示燈都應亮。共有11種故障燈，分別是陰極過(guò)壓、收集極過(guò)壓、燈絲欠壓、螺旋線(xiàn)過(guò)流、總供電過(guò)流、重頻故障、反射功率故障、行波管過(guò)熱、二組合過(guò)熱、光纖故障、門(mén)開(kāi)關(guān)故障。
1.2 保護部分
發(fā)射機具有過(guò)壓保護、過(guò)流保護、溫度保護、占空比保護、駐波保護、門(mén)開(kāi)關(guān)保護等功能。
1.2.1 過(guò)壓保護
對于行波管來(lái)說(shuō)，它的陰極和收集極電壓都很高，現在大多采用開(kāi)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(guò)壓而燒毀。所以，必須檢測行波管陰極和收集極電壓，一旦出現過(guò)壓立刻將高壓切斷。主要是切斷開(kāi)關(guān)電源的脈寬調制器的輸出脈沖，使主功率器件沒(méi)有驅動(dòng)脈沖，達到保護的目的。
1.2.2 過(guò)流保護
包括螺旋線(xiàn)過(guò)流保護和總供電的過(guò)流保護。前者主要是保護行波管，防止行波管的螺旋線(xiàn)因電流過(guò)大而燒毀。后者是保護高壓電源和行波管，防止高壓電源短路或電流過(guò)大造成對行波管和高壓電源的損害。
1.2.3 溫度保護
發(fā)射機由于輸出功率大，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，但為了安全而在關(guān)鍵件上另加溫度保護電路，一旦超過(guò)所設定的溫度門(mén)限，立即切斷高壓，使該器件不致因溫度過(guò)高而損壞。
1.2.4 占空比保護
脈沖行波管的占空比是行波管的主要指標，如果超過(guò)允許的最大占空比會(huì )損害行波管，所以，對輸入脈沖的占空比要有限制，一旦超過(guò)，立即切斷高壓，使行波管不工作。
1.2.5 駐波保護
行波管是發(fā)射功率器件，如果反射的功率過(guò)大會(huì )損壞行波管，所以設置駐波保護。
1.2.6 門(mén)開(kāi)關(guān)保護
由于發(fā)射機內有高壓，為保護人身安全，不允許在發(fā)射機開(kāi)蓋的狀態(tài)下加高壓。
2 控制保護系統功能的實(shí)現
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(shí)和預熱延時(shí)；
——接受鍵盤(pán)上的“低壓通/斷”、“高壓通”、“高壓斷”、“復位”、“天線(xiàn)/負載轉換”等指令，產(chǎn)生相應的邏輯；
——控制加高壓的順序，必須先通低壓，加燈絲電壓、待燈絲“預熱”狀態(tài)結束，并無(wú)任何故障時(shí)，才允許加高壓；高壓升到一定的幅度才允許加觸發(fā)脈沖；當出現任何故障的時(shí)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(lái)，如按“低壓通”鍵時(shí)，“低壓通”燈應亮；預熱狀態(tài)時(shí)“預熱”燈亮；風(fēng)冷狀態(tài)下“風(fēng)冷”燈應亮；預熱狀態(tài)結束時(shí)，“高壓斷”燈應亮；按“高壓通”鍵時(shí)，“高壓通”燈應亮；當發(fā)生任何故障時(shí)，均應切斷高壓，“保護”燈應亮，同時(shí)對應該故障的燈應亮；當故障排除后，按“復位”鍵，系統應能回到高壓斷狀態(tài)；另外，還要把多種故障編成碼，送中心機顯示。
2.2 時(shí)序控制邏輯
由另一片CPLD（圖1中為CPLD2）實(shí)現，這一片CPLD的功能
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