微波开关寿命试验设备的测控仪设计

魏　广，马少君，陈　联，李元明

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州　730000）

微波开关寿命试验设备的测控仪设计

魏广，马少君，陈联，李元明

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

主要介绍了微波开关寿命试验设备中测控仪的设计。测控仪的主要功能是实现对微波开关的控制指令传送、状态遥测参数采集，对试验设备的各种真空泵、加热器进行控制，实现真空室压力、温度的采集与控制，并提供相关的人机交互界面，完成非正常情况的保护处理等。测控仪的设计采用了TI公司的DSP组成核心控制单元，实现参数的实时控制和采集；采用WINCE触控一体机提供人机交互界面，实现通讯数据的接收、显示、及数据存储。

微波开关寿命试验；测控仪；压力控制；温度控制

0　引言

微波开关寿命试验设备用于模拟微波开关星上在轨长期贮存过程中的真空环境条件，采用涡轮分子泵和机械泵机组获得初始真空度，在长期工作过程中，采用溅射离子泵维持系统真空度。试验设备可以长时间不间断工作，具有无污染、无振动、无噪声的优点。微波开关寿命试验设备的测控仪（简称测控仪）是该试验设备的重要组成部分，测控仪的主要功能是实现对微波开关的遥控指令传送、状态遥测参数采集，对试验设备的各种泵、加热器进行控制，实现真空室压力、温度的采集与控制，并提供相关的人机交互界面，完成非正常情况下的保护处理。

1　测控仪的技术要求

测控仪是微波开关寿命试验设备的关键部分，不仅要实现微波开关的遥控、遥测，还要完成试验设备中各类辅助仪器的自动控制，并提供相关的人机交互界面。

1.1微波开关遥测遥控要求

通过面板上的开关发送9条微波开关切换指令，指令类型为28 V正脉冲，脉宽可调；面板带电压指示和调节旋钮；通过面板上的发光二极管实现对9路开关触点闭合状态的指示，并对该状态进行存储。

1.2辅助仪器测控要求

1.2.1控制对象

控制对象为1台机械泵、1台分子泵、1台溅射离子泵、一路电加热器。采用继电器的方式控制3台泵的电源，通过分子泵和溅射离子泵的控制接口自动控制泵的启停。仪器具备如下安全保护策略：当系统压力高于10 Pa时，不能启动分子泵；当系统压力高于1×10-3Pa时，不能启动溅射离子泵。

通过面板开关，控制加热器的开启，加热系统采用反馈控制，温度信号由铂电阻传感器反馈，通过环带加热器实现对环带表面的加热控温，控温范围为50℃±5℃，加热器供电为交流，电压可调节。

测控仪具有声音报警功能，在溅射离子泵单独工作时，如果系统压力高于1×10-3Pa，则自动停止溅射离子泵，启动声音报警器，进行压力超范围报警；并且测控仪具有断电隔离功能，当异常断电后，应使总电源开关处于断开状态，避免来电后设备自动加电。

1.2.2测量对象

测控仪的测量对象为四路温度信号和一路真空室压力信号。温度测量采用铂电阻传感器，测量范围为0～60℃，对所测量的温度值进行采集显示；压力信号由真空计测量给出压力数据，并进行显示；测控仪能对各路温度和压力测量值进行存贮和查询。

2　测控仪的设计

测控仪采用了由TI公司的DSP芯片组成的运算处理单元，实现微波开关的遥控遥测功能、各种泵的控制和加热控温功能；采用工业级嵌入式触控一体机提供人机交互界面，该机具有17.8 cm（7寸）高清触摸屏，完成各种数据的显示及存储。测控仪组成原理图如图1所示。

图1　测控仪组成原理图

2.1测控仪电路设计

2.1.1电源设计

采用AC-DC电源，将220 V交流电源转换为以下3路电源：6～32 V/1 A可调压的直流稳压电源，供给微波开关线圈发遥控指令；+12 V/3 A直流稳压电源，供给继电器等执行器件、指示灯以及测量控制电路；-12 V/0.5 A直流稳压电源，供给测量电路。

2.1.2DSP最小系统

采用TI公司的DSP芯片组成核心控制单元，该DSP上集成了DARAM和Flash EEPROM；集成了外部中断、事件管理器、16位通用定时器、PWM模块和可编程复用I/O引脚，提供标准的JTAG仿真接口，便于仿真和程序烧写。由于DSP集成的多种外设，所以该芯片非常适合做本测控仪的主控芯片。在DSP最小系统电路中还设计了硬件看门狗电路，以提高整机程序运行的可靠性。

2.1.3指令电路及脉宽设定电路

在面板提供脉宽设定开关，采用8位二进制拨码开关，采用通用定时器进行脉宽计时。

通过面板上的开关发送9条指令，每路指令对应一个按钮，DSP检测指令开关状态，每按一次按钮，由DSP扩展IO口发一次正脉冲。

2.1.4状态指示电路和线圈驱动电路

采用发光二极管对微波开关导通状态进行指示，采用三极管对微波开关线圈进行驱动，给线圈提供正脉冲电压，实现微波开关的切换。三极管电路由DSP最小系统通过接口电路控制。测控仪与微波开关的遥控遥测接口电路如图2所示。

图2　测控仪与微波开关的遥控遥测接口示意图

2.1.5温度测量电路和加热控温电路

采用铂电阻二线制放大电路对测温传感器信号调理后，由DSP的A/D进行采集变换，并上传到WINCE触控一体机进行温度显示。测温电路如图3所示。

图3　测温电路和开关控温电路图

测控仪DSP系统采集环带表面温度，用I/O口通过固态继电器控制加热器的工作状态，实现对环带表面的加热控制。在面板上设置切换开关，可切换控温模式或常温模式。温度控制采用硬件开关控温方式，用运放比较器电路实现，控温点通过电位器调节，电路可靠性高，并在软件中设置超温切断加热器的保护机制，确保微波开关在控温异常情况下不被损坏。

2.1.6抽气机组的控制电路及压力超差报警电路

测控仪对机械泵、分子泵、溅射离子泵的电源进行控制，用户可根据前面板开关手动发出泵的启停指令；由DSP通过接口电路读取前面板开关状态，配合压力情况决定执行的相应控制；当压力超差时，对分子泵、溅射离子泵进行自动断电保护；当分子泵工作时，不得给机械泵断电。

DSP接收真空计通讯上传的压力数据，并判断压力是否超差，如果超差，启动报警装置进行声光报警，并启动对相关泵的保护控制。

2.1.7与WINCE触控一体机的接口

测控仪与WINCE触控一体机设计了RS485串行通讯接口，测控仪将试验设备的相关参数、各辅助设备的状态上传给WINCE触控一体机，由WINCE触控一体机软件进行数据显示和存储。

2.2测控仪软件设计

测控仪内部共有两个软件，下位机DSP软件和上位机WINCE触控一体机的可视化操作界面软件。

2.2.1DSP软件设计

DSP软件为嵌入式软件，采用C语言和汇编语言编制。测控仪上电，DSP软件即开始工作，在程序主循环中检测脉宽设定开关，计算相应脉宽值；采集并上传温度值；DSP实时接收真空计数据，判断压力是否超差，如超差启动报警装置进行报警，并进行相关保护操作；当检测到指令键盘中断时，对键盘接口进行解析，如果是微波开关遥控指令，则执行脉冲指令发送程序；如果是其他辅助设备指令，则根据设备安全保护策略，执行相关操作；定时向WINCE触控一体机发送试验设备的相关参数、各辅助设备的状态。

2.2.2WINCE触控一体机软件设计

WINCE触控一体机软件采用Visual Studio 2005设计，实现通讯数据的接收、显示，数据存储采用SQL CE数据库格式存储在触控一体机的外接U盘中，历史数据可以通过触控一体机在线查询，也可通过U盘拷贝至PC机上进行数据分析。

2.3整机结构设计

测控仪整机结构采用铝合金仪表机箱，外形尺寸为448 mm×127 mm×540 mm，前面板带安装耳，尺寸为482 mm×177 mm，测控仪外形照片如图4（a），WINCE触控一体机软件界面如图4（b），测控仪在微波开关寿命试验设备上的安装效果如图4（c）。

图4　测控仪及微波开关寿命试验装置照片

3　测控仪的应用

测控仪设计完成后，进行了产品的加工制造及调试，经测试，各项功能指标都能满足微波开关寿命试验的要求。测控仪随微波开关寿命试验设备交付用户，成功应用于微波开关的寿命验证试验，测控仪自动化程度高，人机交互界面合理，操作简单，使用方便，可实现长期无人值守试验，目前已累计无故障运行3年多，各项指标正常，试验仍在进行。

［1］刘和平.TMS320LF240X DSP结构、原理及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

［2］李元明，马少君，魏广，等.基于DSP和CAN总线的热功率模拟系统［J］.航天器环境工程，2010，27（1）:71-74.

［3］陈联，王丽红，陈光奇，等.空间环境下航天器部件密封性能评价方法研究［J］.真空与低温，2011，17（2）:109-120.

［4］李元明，于秀明，贾旭鹏，等.基于DSP的星载小型化斯特林制冷机控制器设计［J］.真空与低温，2007，13（1）:35-37.

DESIGN OF THE TESTING AND CONTROL APPARATUS FOR EQUIPMENT USED IN MICROWAVE-SWITCH’S LONGEVITY VALIDATION

WEI Guang，MAShao-jun，CHEN Lian，LI Yuan-ming
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou730000，China）

This paper mainly introduced the design of The testing and control apparatus for equipment used in microwave-switch’s longevity validation.The testing and control apparatus can remote control and collect data of microwaveswitch，control vacuum pumps and heaters on the equipment，measure the pressure and temperature in the vacuum，and offer human-computer interface.The testing and control apparatus can also protect the microwave-switch from fault mode. The central processing unit of the apparatus is the DSP system，which achieve all the Real-time control and testing.The human-computer interface is provided by aTouch Control integrative Machine，which can receive and display the data and save them.

Microwave switch’s longevity validation；testing and control apparatus；pressure control；temperature control

TN63

A

1006-7086（2015）01-0056-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.01.013

2014-12-09

魏广（1980-），男，甘肃省兰州市人，高级工程师，主要从事空间电子产品及测试设备的研究与开发。E-mail：xd_wg @163.com。