基于COTS的某导航雷达PMA设计

导航雷达是舰艇上重要的电子信息装备之一，主要负责舰艇的导航定位任务。由于导航雷达使用频繁，故在舰船的航行过程中，必须保持其状态完好。由于雷达本身的技术状态和使用维护条件等原因，雷达的维修通常必须借助于外部检测设备，而PMA(PortableMaintenanceAid)作为舰员级的重要手段，在雷达的日常维护和维修中发挥着关键作用。

按目前的维修诊断策略,PMA主要用于解决现场维修中BIT(BITE)能力不足的问题，其主要功能是完成对现场可更换单元(LRU)的功能测试和故障信息的采集，因此，高精度数据采集是其基本功能。同时PMA对功能、体积、功耗等均有相应的要求，因此PMA内部功能模块的设计往往是影响整个设计的关键因素，同时也是较难解决的问题。

本文通过使用数字表模块、示波器模块等成熟的商用货架产品，结合研制相应的信号调理电路、人机接口电路、电源管理模块等，较好地解决了以上问题。

1  导航雷达PMA概述

1.1  雷达PMA设计需求分析及组成原理

根据对雷达系统的测试需求分析,确定其舰员级维修保障使用的PMA的主要技术要求如下：

(1) 直流、交流电压测量：

       量程：0〜300V(2V、10V、100V、300V)；

       直流电压精度：士0.25%；

交流电压精度：±1%,频率范围：20Hz〜100kHz。

(2) 电阻测量：量程：0~10MΩ(100、1 kΩ。、10 kΩ、100 kΩ、1 MΩ、10 MΩ)；精度：±1%。

(3) 脉冲信号测量：脉冲重复周期：10μs； 脉冲宽度：2μs。

(4) PMA供电：交流220V/50Hz,并内置电池，无外部交流输入时，自动转换为内部电池供电，工作时间要求不小于1小时。当有交流电源供给时，自动完成电池充电。

（5）温度条件:工作状态：0°C〜40°C；非工作状态：一15°C〜55°C。根据以上要求，该PMA的设计功能框图如图1所示。

图1中的信号调理电路用于完成外部输入信号的调理与变换，并在对输入电压经过量程转换后分别送数字表模块和示波器模块进行测量；数字表模块可完成对输入信号的电压、电流及外部电路的阻抗等参数测量;示波器模块完成对输入信号的波形测量；电源管理模块完成对PMA供电的管理，包括AC/DC切换、电源的充电等；AC/DC及DC/DC用于提供PMA工作所需的各种电源；PC/104主板可完成PMA的整机控制。主板与其他模块之间的控制可以通过PC/104总线或USB总线完成；触摸屏显示器用于完成人机交互，以及测试诊断引导及测试数据的显示。

1.2  设计方案选择

从以上PMA的设计需求及构成可以看出，系统控制模块、示波器模块、数字表模块是该PMA设计的关键。而由于PMA要满足便携、电池供电状态下的使用，因此，以上模块的性能与体积、功耗成为限制模块设计的重要参数。其模块设计有两种方案。

第一种方案是研制专用模块。即使用如TI公司的新型A/D转换芯片ADS7947等芯片研制相应的专用电路模块。但研制专用模块周期长、技术风险大，同时，可靠性较低。优势是可以用较低的成本完成设计。

第二种方案是使用COTS产品。可使用目前市场上较为成熟的产品。如NI公司的专用模块。使用COTS模块具有研制周期短、技术风险低等优点，其缺点是相对成本较高。

综合考虑以上因素,确定采用第二种方案进行该PMA的研制与设计。其中数字表模块选用NI公司的USB-4065,数字示波器模块选用NI公司的USB-5133,PC/104主板选用北京盛博协同科技有限公司的型号为PM-4060的PC/104主板。并在以上模块的基础上研制电源控制模块来AC/DC及DC/DC转换模块、人机交互模块，构成PMA系统。PMA的控制计算机选用带PC/104总线的嵌入式计算机模块,与数字表模块和示波器模块之间的控制采用USB总线。其PMA系统组成框图如图2所示。

2  系统硬件设计

2.1  数字多用表模块的选择

数字多用表模块的主要技术参数指标为采样率：3kSa/s；带宽为100kHz；频率范围为0〜100kHz；分辨率为22位;数字分辨率为6又1/2位;最大电压测量范围为一300V〜﹢300V；范围灵敏度为1mV；最小电压测量范围为100mV〜﹢100mV；范围灵敏度为100nV；最大电流测量范围为一3A〜﹢3A；范围灵敏度为3μA；最小电流测量范围为一10mA〜+10mA；范围灵敏度为10nA；最大电阻测量范围为0-100MΩ；范围灵敏度为100Q；最小电阻测量范围为0-100Q；范围灵敏度为100μΩ；最大共模电压为300V；输入阻抗为10MΩ。

2.2  数字示波器的参数选择

数字示波器模块的技术参数指标如下：通道为2个;连接器为BNC；输入阻抗为1MOU19pF；输入耦合为DC/AC/GND；分辨率为8位;精度为士（2%输入+l%FS+300μf）；直流漂移为士（0.033%输入+0.06%FS+40μf）/°C；交流耦合开始频率（一3dB）为12Hz；-3dB带宽为50MHz；带宽限制滤波器为20MHz的噪声滤波器;有效值噪声为0.35%FS；采样频率范围为1.526kSa/s—100MSa/s；时基频率为100MHz；时基精度为士50ppm；缓存为32MB；

2.3  PC/104模块

系统选择的PM-4060是一款高性能的“ALLINONE”PC/104CPU模块。PM-4060采用IntelLVPentiumMCPU,工作频率1.3/1.4/1.6GHz可选，具有64kB—级高速缓存和2MB二级高速缓存。

2.4  供电模块设计

PMA的供电方式有两种，第一种是通过外部AC-DC适配器，将外部220V交流电源变换成+18.5V直流电源向PMA内部资源供电，同时也具备向电池充电功能。另外一种供电方式，是采用锂电池供电，设计有3.6V-4.2V共5节锂电池串联，最大输出18V〜21V,选用4400mAh容量，最大总功率可达90W,效率为85%。

锂电池的管理与监控电路采用双龙STPCM-MG406CMEGA406）电池管理模块,直接对锂电池的输出电流和电压进行监控，监控后的数据通过SMBUS数据协议输出,PMA在调试时提供PC端电池管理配置工具和配置软件，通过该软件和配置工具（与PC机通过USB连接）可以对电池的各项功能进行配置，主要是调制每节电池之间的充放电的压差。电池配置完毕后，再通过TPCM-I2CUSB-7501A锂电池采集控制模块将STPCM-MG406转发的SM-BUS数据协议通过该模块的USB接口与嵌入式PCM-LX801VES-256CPU模块进行对接,PMA应用软件调用模块提供Windows系统标准驱动，对锂电池电源进行监控和管理，实现充放电模式和电量显示、以及低电量提示等诸多功能。

2.5  系统对外接口

PMA设计的对外接口有数字示波器探头接口（BNC），该接口有3路,2个通道,1个触发;数字多用表接口有3个，包括电压/电阻、电流、公共端；USB接口有2路USBHOST接口；10M/100M网络接口为RJ45标准网络端子。此外，电源输入采用交流AC220V输入，同时选用了快速4芯圆形LEMO连接器；

2.6  系统整体设计

PMA的机箱选用STPCM-HJ100工业箱体，内部布局如图3所示，图4所示是其外型图。

3  系统软件设计

PMA软件的开发平台采用LabWindows/CVI9.0面向虚拟仪器的TPS开发环境,具有测试项目、测试任务、测试流程、测试仪器的开发配置功能。在该平台下，所有资源均按IVI的标准编制驱动程序，系统平台在执行具体的操作时，只要通过格式化类调用相应的物理仪器驱动程序，然后驱动物理仪器即可。

本系统根据系统需要及A/D模块的具体功能,在系统中规划了以下驱动程序:

(1) 初始化：AtpADCPMA_Init(ViRsrcInstr-Desc,ViSessionhandle);

(2) 关闭：ViStatusDLLEXPORTAtpADCPMA_Close(ViSessionhandle);

(3) 复位：ViStatusDLLEXPORTAtpADCPMA_Reset(ViSessionhandle);

(4) A/D采集：ViStatusDLLEXPORTAt_pADCPMA_ADC_InputConfAndSample(ViSes_sionhandle)。

4  试验与验证

为了验证研制的PMA性能指标是否满足设计要求，在PMA设计完成后，可以对其主要性能指标进行验证。

4.1  直流电压测试

直流电压测试使用Fluke公司的精密信号源5520A作为直流电压测试的标准信号源来产生标准电压，可通过数字表模块在PMA的控制下将输入电压转换成数字信号，然后将测量结果在显示器上显示。模块的输入电压为一10V-+10V,测量结果如表1所列。

通过对表1所列的测量结果进行分析，可以看出，其最大相对误差为0.244141%,最小相对误差为0.024438%,平均相对误差为0.127416%,其结果可以满足设计要求。

4.2  功耗测试

当PMA处于非测试工作状态时,可以通过控制内部控制整体进入低功耗模式,从而有效降低模块的功耗。经测试，在低功耗模式下，5V电源的功耗与正常工作模式相比可以降低约56%。经验证，该PMA的其他技术指标，如脉冲测量等均满足设计要求。

5  结语

本文以COTS标准模块为核心，配合研制相应的电源管理、人机接口等模块来实现PMA的设计。经实验验证，其性能指标完全满足设计要求，目前已经成功地应用在了某导航雷达的舰员级维修中，在舰载雷达维修保障中发挥了积极的作用。