通用机箱式功放监控系统设计

通用机箱式功放监控系统设计

郝士达

（南京迈科拓通讯有限公司  江苏省南京市  211100）

摘要：为解决不同类型功放的固件专属、版本众多、维护繁琐等问题，提出一种基于嵌入式平台开发的通用机箱式功放监控系统。本设计采用CortexM3内核MCU做主处理器，完成人机交互、远程控制等工作，FPGA做协处理器，配合主处理器完成逻辑和时序处理。控制系统包含上位机测控软件和下位机固件程序，相同软件的情况下硬件可扩展、可裁剪。从而达到减小开发难度，缩短开发周期，减少重复性工作，避免变更遗漏的目的，能满足对绝大多数类型功放控制的支持。

关键词：功率放大器；监控系统; 通用；可裁剪性；

Design ofUniversal Power Amplifier Monitoring System with Chassis

HAO Shida

（NANJING MICOTOP COMMUNICATIONS CO.,LTD.，Nanjing 211100，China）

Abstract: In order to address the issues of firmware exclusivity, numerous versions, and cumbersome maintenance for different types of power amplifiers, a universal chassis power amplifier monitoring system based on embedded platform development is proposed. This design uses CortexM3 core MCU as the main processor to complete human-machine interaction, remote control, and other tasks. FPGA serves as the coprocessor and cooperates with the main processor to complete logic and timing processing. The control system includes upper computer measurement and control software and lower computer firmware programs, and a set of control systems supports the control of the vast majority of types of power amplifiers. To achieve the goal of reducing development difficulty, shortening development cycle, reducing repetitive work, and avoiding changes and omissions.

Key words: Power Amplifier；Monitoring System；Universal；Scalabitity；

0 引言

功放应用领域广泛、种类繁多、专业性强，因此整体设计复杂多样。发射雷达脉冲，电子对抗、电台、蜂窝移动基站、EMC测试、音响等都用到功率放大设备。绝大多数功放控制系统因应用场景不同而不同，飞机应答机的功放需要轻量化，电台发射机需要远程组网，EMC测试功放需要人机交互。生产者为满足应用需求必须做定制化设计，大大增加了开发难度、工作量和生产成本。经过对多领域的功放进行归类、总结，决定设计一套通用机箱式功放控制系统。硬件体积尽量小，功能全，同时支持可裁剪、可扩展。用一套软硬件实现对绝大多数功放的控制，对功放行业发展，实现工业自动化、智能化做积极推动的作用。

1 控制功能

1.1 保护及告警功能

实现输入功率、输入反向功率、输出功率、输出反射功率、驻波、温度、脉宽、重频、电流、电压、急停保护及告警，锁相环失锁告警。

1.2 远程功能

功放可以远程开关机、开关射频信号、读取功放状态、配置门限、偏移量等参数。可以通过以太网、WIFI、LORA、GPIB、4G等多种途径实现远程控制。

1.3 本地控制

功放可以通过本地按键、触摸屏对功放开关机、开关射频、复位等控制，对门限、通讯、时间等参数进行读写。

2 硬件设计

硬件原理框图如图一所示，主板留有内部485、外部485、GPIB、温度传感器、急停检测、PLL&ATT、TTL串口、ISP升级及串口通讯、USB、网络、JTAG、CAN总线、负压模块、液晶屏、功放控制（DB26包括7路ADC检波、调制信号、供电、数字IO、以及经过MOS管驱动的输出）、扩展IO等接口。

TTL串口可扩展成485、422、232、4G通讯、WIFI通讯、蓝牙、LORA通讯等，如图一虚线框所示部分

图一 硬件原理框图

2.1 主控芯片

主控芯片使用型号为GD32F103VET6的MCU，该芯片拥有三个12位1MSPS采样速率的ADC， 64Kbytes的SRAM，512Kbytes的Flash，内核运行频率高达108M，资源丰富，稳定可靠，满足设计需要。它与ST公司的型号及引脚兼容，软件库通用、方便相互替换。

2.2 网络通讯

网络通讯支持TCP和UDP协议，可以选择做客户端或服务器。硬件采用CH395芯片，它集成10/100M PHY收发器和MAC，支持8个socket，与主控芯片之间通过SPI总线连接，轻松联网，满足设计要求。

2.3 GPIB通讯

GPIB通讯采用TNT4882芯片，它是IEEE488.2 Talker/Listener接口专用集成电路，芯片与MCU之间需要5V到3.3V电平双向转换。TNT4882的PCB独立布局，与主板之间通过IDC20排线连接。

2.4 存储

本设计分五个存储空间，分别是主控芯片内部Flash，外扩铁电存储器、EEPROM和两片64Mbytes Flash。主控芯片内部Flash最后一个片区用于存储加密数据，铁电存储器保存功放状态日志，EEPROM芯片存储设置参数，两片Flash分别存放两路功放的校准曲线、功率表。

2.5 供电

可靠的设计必不可少需要稳定的供电系统，本设计采用直流+12V供电，+12V 到±5V 用DCDC开关电源芯片，+5V到+3.3V采用LDO降压。DCDC开关电源芯片效率高，发热量小，LDO输出纹波小，成本低，外围电路简单。

3 软件设计

3.1 嵌入式程序

嵌入式程序由主控MCU程序和功能模块程序组成，功能模块测试完成后无需维护更新，不影响主控MCU程序的通用化设计。

3.1.1 主控MCU程序

主控MCU程序使用MDK设计软件开发，采用C语言编程，移植μC/OS-II嵌入式实时操作系统。μC/OS-II创建保护任务、显示任务、通讯任务、GPIB任务、模块任务，程序框图如图二所示。

图二 程序框图

保护任务的优先级权限最高、响应速度最快，任务中包含快速检测和慢速检测，每调度一次保护任务都执行的检测为快速检测，多次进入保护任务执行一次的检测为慢检测，这样做的目的是尽可能快速地响应重要的保护。进入本次任务后，首先MCU检测急停信号电平、负压是否正常。接下来检测功放的输入、输入反射、输出、输出反射信号检波电压，并计算功率及驻波比。最后读取各级功放管的工作电压、电流以及温度值。如果上述检测环节中，任意环节出现检测值触发了告警门限，MCU都会根据各信号量状态，对功放进行相应的保护措施。本设计程序中提供五种保护措施可以选择，（1）直接关闭整机电源。（2）关闭功放模块电源及射频。（3）关闭射频开关。（4）关闭射频增大衰减器衰减值恢复射频开启状态，循环多次找到自适应值。（5）只告警，不保护。

每隔70ms显示任务被调度一次，开机后液晶屏显示初始化进度，初始化完成后进入主界面。MCU解析来自液晶屏的报文，执行对应操作，同时根据当前不同界面，更新当前界面有变化的数据显示。每切换一个新的界面，执行一次所有数据更新。当超过设定时间没有操作时，液晶屏亮度降低，进入屏幕保护状态，再次触碰屏幕时，恢复预设亮度，退出屏幕保护状态，开始人机交互。显示任务优先级最低，看门狗喂狗函数在显示任务中被调用。

通讯任务每隔10ms调度一次，进入任务后，首先判断硬件是否链接，如果没连接，关闭所有Socket。如果已连接网络，Socket0做TCP服务器，打开监听进行网络信息交互，Socket1做TCP客户端，主动连接服务器地址及端口进行信息交互，Socket2做UDP通讯，UDP通讯为短链接，不需要进行握手。以太网是调试及通讯的基础，可以进行局域网和公网之间的通讯。串口采用DMA空闲中断方式接收数据，未解析的数据放在buffer中，每30ms检测一次buffer是否为空，如果不为空，则执行一次串口数据解析。网口、串口、GPIB通讯都调用同一个报文解析函数。

3.1.2 模块程序

衰减器和锁相环都是通过图一所示PLL&ATT接口与MCU连接。

MCU通过SPI总线控制DAC产生0~2.5V电压，经过运放放大得到0~5V，放大后的电压控制模拟衰减器调节衰减量。负电压模拟衰减器与正电压模拟衰减器控制方式相同，不同之处在于运算放大器做反向放大，得到0~-5V控制电压。程序根据不同模拟衰减器类型，调用不同的电压与衰减量对照表，产生对应控制电压。数控衰减器预留8位控制位，根据衰减值真值表设置对应控制位输出。

锁相环程序提供多种芯片型号的驱动可以选择，例如小数分频ADF5355、LMX2694、LTC6948，整数分频ADF4107、TRF3761。

小数分频锁相环输出频率计算公式是

RFout = Fpfd x ((FRAC / MOD) + INT)                            (1)

RFout是输出频率。

Fpfd是鉴相频率。

FRAC小数分频。

MOD是模值。

INT整数分频。

整数分频锁相环输出频率计算公式是

RFout = B x Fref / R                                          (2)

RFout是输出频率。

B是输出频率反馈分频值。

Fref是输入参考频率。

R是输入参考频率分频值。

锁相环程序设计难点在于获取最佳模值、分频值、电流泵的电流值以及预分频值，达到获取最低相位噪声的目标。开机或选择锁相环型号有变化时，MCU 通过SPI对锁相环芯片进行配置，频率设置发生变化时，只更新变更频率相关寄存器。

在不同的功放中，检波器的检波电压和功率对应关系有所不同，程序根据实际拟合情况，选择调用线性、对数、多项式或功率表关系式来计算相应功率值。脉冲同步检波器程序检测到同步信号时记录当前检波电压值，如果同步信号超时，则内部自动触发一次。

大功率功放因功率大、电流大、发热量大、辐射强等原因，非常容易自激、打火甚至烧毁，所以功放控制程序不但要监测电压电流，还要注意开关电源的顺序，特别是氮化镓管子，负压必须在正压之前开启。功放上电顺序为：“控制电路电源上电并准备就绪，功放管栅极加上限电压，功放管漏极上电，调整栅极电压并检测漏极电流，电流达到预设静态电流后完成上电过程”。下电顺序：“功放管栅极恢复到上限电压，漏极断电，栅极断电，最后整机断电”。

3.2上位机软件

上位机基于QT开发，通过windeployqt指令生成免安装程序，软件直接运行在windows操作系统上。上位机通过网线或GPIB卡连接信号源、功率计、频谱仪等设备，进行联合自动化测试，实现功放指令检查、功放控制和校准等功能。软件使用者可以是用户、生产者或管理员，使用者不同，开放的权限和界面也不同，一个上位机软件支持多使用场景及多个功放类型，达到通用化设计。

4 结束语

本文论述了通用机箱式功放监控系统如何做到通用化设计。先收集已有类型功放的详细信息，再理清每种类型功放的控制原理，加入自己对功放控制的理解和研究，最后形成通用化设计思路。从硬件到软件做了详细描述，从理论到实践成功完成本次设计，并得到推广应用。根据实际体验及反馈，切实解决了不同类型功放的固件专属、版本众多、维护繁琐等问题。

图三 硬件实物图

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