Thiết kế hệ thống kiểm tra báo hỏng trong ra đa biển cỡ nhỏ

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 32, 08 - 2014 23 THIếT Kế Hệ THốNG KIểM TRA BáO HỏNG TRONG RA ĐA BIểN Cỡ NHỏ NGUYễN TRUNG THàNH, NGUYễN VĂN HùNG, KIM đức hiệp Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả bước đầu trong thiết kế hệ thống kiểm tra báo hỏng trong ra đa cảnh giới biển cỡ nhỏ. Tích hợp thành công các phần tử giám sát chế độ làm việc trong mỗi mô dun máy thu ra đa là kết quả quan trọng để phát triển hệ thống này theo xu hướng hiện đại. Từ khóa: Kiểm tra báo hỏng, Hệ thống kiểm tra, Ra đa biển cỡ nhỏ. 1. Mở ĐầU Các đài ra đa hiện đại được trang bị hệ thống kiểm tra thống nhất cho phép kiểm soát hoạt động chức năng, kiểm tra-đánh giá và chẩn đoán hỏng các khối, phân khối cũng như các hệ thống của đài. Để đáp ứng yêu cầu chiến-kỹ thuật đề ra đối với ra đa biển cỡ nhỏ hệ thống kiểm tra báo hỏng (KTBH) bước đầu đã được thiết kế theo hướng tích hợp hài hòa với các thiết bị ra đa. Bài báo sẽ trình bày một số nét chính trong thiết kế hệ thống này. 2. SƠ Đồ TổNG THể Hệ THốNG KIểM TRA BáO HỏNG Hệ thống KTBH được xây dựng cho ra đa biển cỡ nhỏ với 2 nhiệm vụ: - Kiểm tra hoạt động chức năng các hệ thống ra đa: chỉ thị trạng thái nối-ngắt theo chế độ; đánh giá 1 số thông số kỹ thuật quyết định chất lượng hoạt động của ra đa như công suất phát, độ nhạy (hoặc hệ số tạp) máy thu,...; - Kiểm tra các tham số kỹ thuật chi tiết đến từng mô đun và khối, phân tích tình trạng kỹ thuật và thông báo hỏng nếu có hỏng. Sơ đồ cấu trúc tổng thể hệ thống KTBH cho ra đa biển cỡ nhỏ được trình bày trên hình 1. Toàn bộ hoạt động của hệ thống KTBH được mô tả như sau: Trung tâm điều khiển và xử lý (ĐKXL) là thành phần chủ yếu của hệ thống, có nhiệm vụ phát các tín hiệu điều khiển và đồng bộ hoạt động của hệ thống KTBH theo tín hiệu xung kích phát của ra đa. Trong trung tâm ĐKXL còn có cơ sở dữ liệu về các tính năng kỹ thuật và tham số cần kiểm tra của ra đa (giá trị danh định, sai số cho phép,...). Các tín hiệu điều khiển và đồng bộ đảm bảo cho hệ thống hoạt động nhịp nhàng theo một chương trình kiểm tra nhất định. Các thành phần cao tần, thấp tần và mạch xung, mạch số của ra đa được kiểm tra bằng cách tạo tín hiệu kích thích có tần số và dạng tương ứng tại các bộ tạo tín hiệu thử cấp đến đầu vào phần tử chức năng ra đa để nhận tín hiệu tại đầu ra và xử lý thông qua bảng mạch ghép I/O với ra đa. Bảng mạch ghép có nhiệm vụ đảm bảo hoạt động kiểm tra không làm ảnh hưởng tới hoạt động của ra đa; Các tín hiệu dạng điện áp, dòng một chiều trong ra đa - được kiểm tra theo phương pháp thụ động bằng cách lần lượt lấy mẫu tín hiệu để so sánh với cơ sở dữ liệu trong trung tâm ĐKXL hoặc liên tục so sánh với các mức định sẵn tại chỗ và báo kết quả về trung tâm. Các bảng mạch gom kiểm tra tùy thiết kế có thể gom 16 hoặc 32 tín hiệu. Tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ... chỉ báo điều kiện hoạt động của ra đa cũng được thu gom về trung tâm ĐKXL để đánh giá qua các bảng mạch gom kiểm tra. Kết quả kiểm tra được kết xuất thành các thông báo và chỉ thị tình trạng đến các phần tử chức năng theo nhiệm vụ đặt ra ban đầu đối với hệ thống trên màn monitor và trên bảng LED. Ra đa N.T.Thành, N.V.Hùng, K.Đ.Hiệp, "Thiết kế hệ thống... cảnh giới biển cỡ nhỏ." 24 Hình 1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống KTBH. Các hệ thống phát, thu, xử lý cấp 1, thiết bị anten-phi đơ, thiết bị điều khiển, thiết bị đảm bảo môi trường của ra đa và các bộ tạo giả tín hiệu test (cao tần và xung) được xem là các thiết bị ngoại vi của trung tâm ĐKXL và được liên kết thông qua bus SPI (Serial Peripheral Interface). Những mô đun và mạch quan trọng trong các hệ thống, thiết bị cũng được xem là thiết bị ngoại vi cần được kiểm tra trực tiếp. Trung tâm ĐKXL của hệ thống KTBH sẽ lần lượt “hỏi” và nhận thông tin trạng thái từng thiết bị ngoại vi, sau đó đối chiếu với cơ sở dữ liệu trong máy để đưa ra kết luận về tình trạng từng thiết bị và toàn đài. Ưu tiên được dành cho kiểm tra hoạt động chức năng, nếu xuất hiện hỏng hệ thống sẽ tiếp tục kiểm tra sâu hơn theo thứ tự từ trên xuống đến bảng mạch hỏng. Từ sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống KTBH và ra đa đã xác định các thành phần cần kiểm tra, các tham số của từng mô đun. Dưới đây sẽ mô tả chi tiết thiết kế một số mô đun hệ thống thu đã được tích hợp các phần tử KTBH. 3. THIếT Kế CáC MÔ ĐUN MáY THU TíCH HợP PHầN Tử KIểM TRA BáO HỏNG Hệ thống thu gồm các mô đun hạn chế công suất, khuếch đại tạp thấp LNA, suy giảm có điều khiển, trộn tần, dao động tại chỗ LO, khuếch đại trung tần (KĐTT) và biến đổi AD (hình 2). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 32, 08 - 2014 25 Hỡnh 2: Sơ đồ chức năng tuyến thu phần cao tần. Đặc điểm chung của các mô đun này là công tác ở tần số cao, nhạy cảm với tham số nguồn và điều kiện nhiệt độ, độ ẩm. Sự tăng nhiệt làm tăng nội tạp máy thu, nếu tăng quá mức nhất định sẽ làm các vi mạch hoạt động không đúng chức năng, thậm chí hỏng không thể khôi phục. Để giám sát và báo hỏng các mô đun máy thu hệ thống đã sử dụng các vi mạch giám sát (cảm biến, sen-sơ) dòng INA169, ACS71205, ổn áp LT1764, giám sát nhiệt độ DS18B20, giám sát độ ẩm SHT10. Các vi mạch giám sát được lựa chọn sử dụng trên cơ sở phù hợp về dải dòng, áp, nhiệt độ công tác cũng như đáp ứng yêu cầu tốc độ cao và, điều quan trọng là không gây tạp đáng kể cho các mô đun cao tần. Dưới đây giới thiệu vắn tắt các vi mạch giám sát đã được sử dụng trong hệ thống KTBH. INA169 (hình 3) là bộ giám sát dòng đơn cực mắc sơn phía cao,có dải điện áp chế độ chung đầu vào rộng (2,7V ữ 60V), tốc độ cao, dòng thụ động thấp (60μA) nên không gây tạp và vỏ SOT23 rất nhỏ, thích hợp với nhiều ứng dụng. Dòng ra bộ giám sát INA169: I0=gm[(VIN+)-(VIN-)], trong đó gm =1000μA/V, nên rất nhạy và có thể thiết lập mức dòng cho phép (cực đại) chính xác đến miliampe đối với một điện áp nguồn. Giả sử sơn Rs=1 , dòng tải cho phép 1A, với biến thiên dòng tải mô đun 1mA thì sụt áp trên Rs thay đổi làm điện áp ra V0 trên trở RL=10k đạt: V0=IsRs1000(μA/V).RL=1.1.1000.10 -6.10.103 = 10V đủ để điều khiển phần tử cắt nguồn. Hình 3: Sơ đồ mắc INA169. Vi mạch LT1764 ở hình 4 là ổn áp đáp ứng nhanh, tạp thấp, dòng tiêu thụ tĩnh nhỏ, có sẵn bảo vệ chống ngược nguồn, hạn chế dòng và nhiệt. LT1764 cho phép đặt điện áp ra từ 1,21 V đến 20V hoặc mức cố định 1,5; 1,8; 2,5; 3,3V. Ra đa N.T.Thành, N.V.Hùng, K.Đ.Hiệp, "Thiết kế hệ thống... cảnh giới biển cỡ nhỏ." 26 Hình 4: Sơ đồ mắc LT1764. Hình 5: Sơ đồ mắc SHT10. Vi mạch SHT10 ở hình 5 giám sát nhiệt và ẩm với độ chính xác cao. Sai số đo độ ẩm đạt <4,5%RH, với nhiệt độ ±0,50C. Dữ liệu đo được trực tiếp biến đổi sang dạng số rất thuận tiện cho kết nối với vi xử lý. Sơ đồ khối của các mô đun khuếch đại tạp âm thấp (LNA1, LNA2) được dẫn trên hình 6. Các giá trị dòng, áp do cảm biến thu thập được đưa vào vi điều khiển PIC 16F877, xử lý so sánh với mức chuẩn. Khi xảy ra quá dòng, quá áp hoặc nhiệt độ quá cao hay độ ẩm vượt ngưỡng cho phép, vi điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển logic (mức tích cực thấp) cấp tới chân SHDN của LT1764 sẽ cắt toàn bộ nguồn cấp cho khối. Điều khiển các chế độ và tham số kiểm tra báo hỏng được thực hiện thông qua cổng điều khiển theo chuẩn SPI (có 4 chân ra, tần số nhịp FCLK ≤ 1MHz) với 3byte dữ liệu. Hình 6: Sơ đồ khối thiết kế mô đun khuếch đại tạp thấp. Sơ đồ khối của các mô đun suy giảm có điều khiển, trộn tần, dao động tại chỗ có kiến trúc tương tự, chỉ khác ở chỗ thay cho vi mạch KĐ tạp thấp tương ứng là các vi mạch suy giảm HMC424, trộn HMC527 và nhóm vi mạch ADF4113, AD820, HMC734 tạo dao động. Tương tự, mô đun biến đổi ADC tạo tín hiệu cầu phương I/Q số (hình 7) được thiết kế theo nguyên tắc chung nói trên. LNA (HMC-902) (HMC996) G = 17dB Vi điều khiển RFout -5V; +5V Điều khiển nguồn Sen-sơ áp Sen-sơ dòng SPI Xung điều chế nguồn RFin LNA1; LNA2; Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 32, 08 - 2014 27 Hình 8 là sơ đồ nguyên lý mạch giám sát dòng tải và điều khiển cấp nguồn tiêu biểu cho các mô đun máy thu. Hình 7: Sơ đồ khối mô đun ADC tạo I/Q số. Hình 8: Sơ đồ nguyên lý mạch giám sát dòng tải và điều khiển cấp nguồn. Qua thử nghiệm phần KTBH thiết bị thu đã cho các kết quả đáng tin cậy (Bảng 1). Trong đó, các điện áp nguồn được ổn định và khống chế ở mức danh định ±1V, các dòng tải được tính toán bằng tổng dòng tiêu thụ tối đa của linh kiện (IC) đối với nguồn điện áp tương ứng. Khi dòng tải đạt mức tối đa mạch khống chế tạo lệnh cắt toàn bộ nguồn cấp cho mô đun. Đệm dữ liệu ra I out (14 bit) Q out (14 bit) Lọc Khuếch đại Biến đổi I/Q (SPARTAN- 3E) Biến đổi D/A (LTC1678) 14 bit Biến đổi A/D (LTC22495) 14 bit IFin Vi Điều khiển +5V;-5V;+12V;- 12V Điều khiển nguồn Sen-sơ áp Sen-sơ dòng Xung điều chế nguồn out (14 out (14 Ra đa N.T.Thành, N.V.Hùng, K.Đ.Hiệp, "Thiết kế hệ thống... cảnh giới biển cỡ nhỏ." 28 Bảng 1: Giải bảo vệ máy thu và giá trị thực tế đo được. Tên Giá trị Giá trị cần đạt Giá trị đo được Môđun khuếch đại tạp thấp LNA Điện áp Dòng Nhiệt độ U=+5V±1 I≤140mA t0≤ 550C U=+5,2V I=100mA t0 = 350C Mô đun suy giảm ATT Điện áp Dòng Nhiệt độ U=+5V±1 I≤90mA t0≤ 550C U=+5,1V I=70mA t0=250C Mô đun trộn MIXER Điện áp Dòng Nhiệt độ U=+12V±1 I≤110mA t0≤ 550C U=+12,1V I=80mA t0 = 280C Mô đun LO- PLL Điện áp Dòng Nhiệt độ U=+12V±1 I≤230mA t0≤ 550C U=+12,2V I=150mA t0= 320C Mô đun khuếch đại trung tần IF Điện áp Dòng Nhiệt độ U1=+12V±1;U2=+5V±1 I5V≤100mA;I12V≤500mA t0≤ 550C U1=+12,3V;U2=+5,2V I5V=100mA;I12V=300mA t0=300C Mô đun ADC tạo I/Q số Điện áp Dòng Nhiệt độ U=+5V±1 I≤190mA t0≤ 550C U=+5,1V I=145mA t0 =330C 4. KếT LUậN Thử nghiệm bước đầu cho thấy hệ thống KTBH được thiết kế trong ra đa biển cỡ nhỏ đã đáp ứng các yêu cầu đặt ra. Việc tích hợp các vi mạch giám sát những tham số điều kiện làm việc của mỗi mô đun máy thu là một thành công đáng kể của nhiệm vụ thiết kế hệ thống KTBH. Tài liệu tham khảo [1]. Tài liệu kỹ thuật ra đa GARPUN [2]. Tài liệu kỹ thuật ra đa VƯMPEL [3]. Tài liệu kỹ thuật ra đa SCORE 3000 [4]. Федоров В. К., Сергеев Н.П., Кондрашин А.А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств (2005). [5]. Александров А. И., Бобровник Г. А., Еременко А. С. Эксплуатация радиотехнических комплексов.- M., Сов. радио, 1976. Abstract BUILT-IN TEST SYSTEM IN SEA COMPACT RADAR This paper presents some results in designing of built-in test system for sea compact radar. The successful integration of work mode monitor elements in every receiver module is important for developing this system fitting with modern version. Keywords: Test error, Test system, Built-in test system. Nhận bài ngày 10 tháng 3 năm 2014 Hoàn thiện ngày 12 tháng 4 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng 7 năm 2014 Địa chỉ: Viện Ra đa, Viện Khoa học-Công nghệ quân sự, ĐT: 069.516.122.