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基于C8051F021的机载雷达电源监控系统
随着雷达技术的不断进步，具有显著优点的相控阵雷达成为现代雷达的主流技术。由于相控阵雷达设备量越来越大，机内测试控制系统的研制开发越来越被重视。而雷达供电电源系统作为雷达上各分系统的动力核心，对雷达各分系统的可靠工作起着至关重要的作用。供电电源状态的好坏与用电设备的工作状态息息相关。
当一个复杂的雷达系统出现故障时，总体希望从电源监控系统巾获得的信息充分可靠，该信息即可以判定电源系统工作状态，也能够洞察用电设备的工作状态是否正常。因此，对电源系统的监控管理势在必行。采用先进的电源监控技术可以对电源系统的工作状态进行实时监控、数字信息交换、故障记录显示等。这样，可以提高系统的技术性能，降低操作人员和维护人员的技能要求，提高系统的可靠性，减少系统故障的平均维修时间，对设备量大的机载相控阵雷达显得更为重要。
本文介绍一种基于嵌入式单片机的串行内总线电源监控系统，作为一个分机节点，可以很方便地加入到雷达机内测试控制系统的总线中，有效地实现对电源系统的控制和监测。
1 电源监控系统的硬件组成
机载雷达电源监控系统由一台电源监控主机和8台电源监控分机组成，与其他分系统挂接在机内测试控制系统的总线上。
图1所示为电源监控系统和机内测试控制系统以及其他分系统之间的连接关系。其中M0为机内测试控制系统的主处理机，通过RS-422串行总线的接口方式，与电源监控系统和其他分系统进行数据的传输。其中电源监控主机一方面与机内测试控制系统的主处理机M0进行通信，接收M0发来的各种控制命令，转发给各个电源监控分机；另一方面，将各个电源监控分机采集来的各个电源的工作状态数据处理后传送给主处理机M0。电源监控主机和监控分机之间的接口同样采用RS-422串行总线方式。
1.1 电源监控主机的硬件设计
由图1可知，电源监控主机既要与上位机M0通信，又要与8台电源监控分机进行通信。这就要求电源监控主机至少能够提供2个串行通信口。大部分MSC-51系列的单片机只有1个串行口，必须对其进行扩充，有几种方案可以选择：
a) 方案1：采用2片单片机M1和M2，各自有一个串行口，M1的串行口与上位机M0通信，M2的串行口与各个电源监控分机通信，M1与M2之间采用并行口传送数据。
b) 方案2：同方案1，只是M1与M2之间采用双几RAM来交换数据。
c) 方案3：选取具有2个独立串行口的CPU，一个与上位机M0通信，另一个与8个下位机通信，在CPU内部RAM完成数据交换。
分别对这3个方案做了试验并进行比较。方案1成本低，但软件较复杂，中断多，易发生冲突，数据有丢失现象；方案2数据通信可靠性好，但是软硬件设计都比较复杂；方案3软硬件设计简单，数据交换可靠性高，但是成本略高。
综合各方面因素，本文采用方案3。电源监控主机采用Cygnal公司的C8051F021单片机作为主控CPU，它是Cygnal公司开发的全集成混合信号在片系统单片机系列中功能比较齐全的一款。SOC(在片系统)是一个全新的概念，是随着半导体技术的不断发展、集成度越来越高、对嵌入式控制技术的可靠性要求越来越高而产生的。
C8051F021片内资源包括：32个通用数字I／O端口、64kB的Flash存储器、4352B的RAM、8通道12位和8通道10位的A／D转换器、2个12位D／A转换器、2个模拟量比较器、5个通用定时器和PCA(可编程计数器阵列)。另外，还具有外部数据存储器接口、SMBus／I2C总线、SPI总线、2路UART总线、片内电源监视、片内温度监视、片内看门狗定时器和片内时钟源等。以上数字资源接口都可根据设计需要进行选择，然后利用片内交叉开关分配到相应的I／O端口，未使用的资源将不占用通用I／O端口，这种方法既有利于资源的灵活配置，又有利于资源的充分利用，使芯片的通用性获得极大的提高。
在强大而丰富的片内资源的支持下，C8051F021还具有以下主要特点：
a) 高速的与MCS-51指令系统完全兼容的微控制器内核CIP-51，采用流水线结构，其70％的指令在1～2个系统时钟周期内完成，在25 MHz内部时钟下，指令最快执行速度可高达25 MIPS(百万条指令每秒)。
b) 大容量的Flash存储器，可实现在线编程和用于非易失性数据的存储，存储器可按512 B为一扇区编程，且不需特殊的片外编程电压。
c) 片内的JTAG仿真电路提供全速、非侵占式(即不使用在片资源)的电路仿真，可以很方便实现断点、单步观察点、运行和停止等调试命令，且支持存储器和寄存器的在线校验和修改，开发效率大大提高。
d) 内部有2个全双工的异步串行口UART0和UART1，它们除了具有标准串行口的功能外，还具有帧错误监测和地址识别硬件，还有一个完全符合系统管理总线标准的串行接口SMBus和一个SPI(串行外设接口)，这些串行总线都完全由硬件实现且都可以产生中断，不共享定时器、中断或I／O端口，因此可以同时使用所有的串行口。
本系统中的电源监控主机充分利用了C8051F021内部的各种资源，特别是利用它的2个异步串行口可以很方便地完成与上位机(主处理机M0)的数据交换和与监测各个电源的8台电源监控分机的数据交换。其硬件电路设计比较简单，结构图略。
1.2 电源监控分机的硬件设计
本系统中有8台监控分机，分别集成在8台电源机箱中，通过RS-422串行总线方式与监控主机接口。每台监控分机主要完成对各自电源工作状态的监测，记录包括开／关机状态、输入过压／欠压、输出过压／欠压、输入过流、过温、输入缺相等状态。监控分机定时采集这些状态值并保存在RAM中，当监控主机接收到主处理机M0发来的查询命令后，通过与监控分机进行多机通信，将各个电源分机的状态值上传给M0，由M0进行分析处理。考虑到器件的环境适应性，电源监控分机的CPU采用Intel公司的MCS-51系列单片机中的MD8751芯片，其内含4 kB EPROM，无需进行片外扩展。
图2所示为电源监控分机硬件的结构框图。
2 多机通信过程
本系统中，电源监控主机与8台电源监控分机通过RS-422，串行总线接口进行多机通信。电源监控分机的CPU中包含1个标准的异步传输串行口(UART)，而电源监控主机的CPU是包含2个功能完全相同的UART，它们除了具有8051标准串行口的功能外，还具有帧错误检测和地址识别硬件，称为增强型UART。为了提高监控主机与监控分机串行口之间的兼容性，设置监控主机CPU的UART工作在标准型。监控主机和监控分机的UART接口分别通过一对RS-422的差分发送器DS26LS31和差分接收器DS26LS32进行数据的传输。通信过程中监控主机的发送门和接收门始终打开，而监控分机的接收门始终打开，而发送门由某指定信号控制。
在MCS-51系列单片机中，串行口工作在方式2或方式3，通过使用第9数据位可以支持一台主处理器与1个或多个从处理器之间的多机通信。当主机想发送数据给多个从机中某个时，它先发送一个用于选择目标的地址字节。地址字节与数据字节的区别是：地址字节的第9位为逻辑1，数据字节的第9位总是设置为逻辑0。主机发送的地址信息可以被各从机接收，而主机发送的数据信息只能被指定从机接收，从机之间不能直接通信。从机利用串行口控制寄存器SCON中的SM2位来控制地址和数据帧的接收。主机与多个从机之间异步通信过程如下：
a) 使所有从机的SM2位置1处于只接收地址帧的状态。
b) 主机先发送一帧地址信息，其中8位地址，第9位为地址／信息的标志位，该位置1表示该帧为地址信息，否则为数据信息。
c) 当从机接收到地址帧后，各自将接收的地址与本机的地址比较。只有地址相符的那个从机，使SM2位清零，准备接收主机随后发来的信息；其余地址不符的从机，保持SM2=1，继续监听地址帧。
d) 主机收到从机的应答信号后，如果地址相符，准备好数据信息，向从机发送数据或命令；如果地址不符，发复位信号，准备下一次的寻址过程。
e) 接着主机向从机发送约定长度的数据，发送结束后，发送一帧校验和，并等待接收从机回送的校验和。
f) 若校验和正确，主机发送停止位，要求从机复位，完成与该分机通信；若不正确，则要求重发一次。
g) 从机收到复位命令后置SM2=1，回到监听地址帧状态。
3 软件设计
由于机载环境对程序空间、时间要求高，要求数据采集、处理速度快，本文采用汇编语言进行软件设计。机内测试控制系统的主处理器M0要求每隔50 ms刷新系统的所有状态数据，因此M0需要定时发送命令给各分系统，以获取最新的各系统状态数据。电源监控系统中的监控主机根据M0发来的命令进行相应的操作。
如果接收的是控制命令(即开关机命令)，监控主机立即将该命令转发各个监控分机，控制各个电源的开关操作。如果接收的是查询命令，监控主机将缓冲内存中的各个分机的状态值发送给M0。为确保上传的数据为最新值，监控分机每隔1 ms采集一次相应电源的各个状态量，而监控主机则每隔5 ms与8台分机通信，读取各分机的状态值，并保存在缓冲内存中，以便M0的查询。电源监控主机的CPU既处理与M0的数据交换，又要与8台监控分机进行多机通信，程序相对复杂。
电源监控主机的主程序流程图如图3所示。
与监控分机进行多机通信的中断子程序流程图如图4所示。
4 抗干扰设计
机载雷达工作环境恶劣，对设备的可靠性要求高，电源单片机监控系统暴露在强EMI(电磁干扰)环境下，易受干扰，可靠性设计显得尤为重要。电源及其净化、接地、屏蔽、隔离和滤波等技术均关系到单片机控制系统工作的稳定性。硬件方面，系统采用高速光耦实现信号的完全隔离，采用屏蔽线缆，有效地抑制了外界干扰对数字系统的影响，尤其是电源监控分机，与一次电源高压大电流部分距离很近，专门设计了屏蔽层，信号传送采用带有屏蔽层的连接器。在PCB(印制电路板)布线时，合理放置去耦电容，同时尽量采用片内存储器，增加硬件看门狗电路；软件方面，在程序中定期进行初始化处理，增加重要指令执行次数，从而有助于提高整个系统的抗干扰能力。
5 结束语
电源监控系统采用嵌人式微机进行模块化设计，作为一个分节点，首次加入机载相控阵雷达内总线控制系统，使雷达系统具有对电源分系统进行监控的优点，同时对数据处理主机来说，只是增加了一个分机节点，简化了设计。
电源监控主机采用串行内总线控制系统，选取具有双串行口的CPU分别与主处理机和多台监控分机进行通信，提高了系统响应速度和可靠性，符合现代雷达技术的发展方向。
