阅读说明：本技术 一种s波段变频装置及主、备机箱切换控制方法 (S-band frequency conversion device and switching control method for main and standby machine boxes ) 是由 王彦霞 代维宽 李文明 韩国胜 燕官锋 路进强 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种S波段变频装置及主、备机箱切换控制方法,涉及变频技术领域。一种S波段变频装置,包括主用机箱与备用机箱,主用机箱实时将工作状态上传给备用机箱,当主用机箱自检测出现故障时,停用主用机箱并切换到使用备用机箱,备用机箱依照故障前主用机箱上传状态数据自动恢复工作状态。一种主、备机箱切换控制方法,通过监测上、下变频的通道增益状态与所设状态对比,检测锁相环锁定指示是否正常,监测变频器内部各组成部分电流是否正常,如不正常则从主机箱切换到备用机箱。本发明提高了系统稳定性,降低了故障造成的危害,解决了S波段变频装置故障停机维修问题,为维修和维护提供了充足时间,降低了维修的总体费用。(The invention discloses an S-band frequency conversion device and a switching control method of a main chassis and a standby chassis, and relates to the technical field of frequency conversion. An S-band frequency conversion device comprises a main case and a standby case, wherein the main case uploads a working state to the standby case in real time, when the main case fails in self-detection, the main case is stopped and switched to a standby case, and the standby case automatically restores the working state according to state data uploaded by the main case before the failure. A switching control method for main and standby machine boxes is characterized in that the gain state of a channel for monitoring up and down conversion is compared with the set state, whether the locking indication of a phase-locked loop is normal is detected, whether the current of each component in a frequency converter is normal is monitored, and if the current is abnormal, the main machine box is switched to the standby machine box. The invention improves the system stability, reduces the damage caused by faults, solves the problem of fault shutdown maintenance of the S-band frequency conversion device, provides sufficient time for maintenance and repair, and reduces the total cost of maintenance.)

一种S波段变频装置及主、备机箱切换控制方法

技术领域

本发明涉及变频技术领域，尤其是一种S波段变频装置，适用于卫星通讯的，属于卫星通讯导航地面站收发设备。

背景技术

正常S波段变频器外形为模块形式，只能作为组件安装在一些平台内。一旦发生故障，必须停机，进行维修及维护。对于一些平台比如说通信基站，一旦故障停机哪怕短短几秒钟，就有可能带来不可估量的损失，尤其是应用于国防领域，因此无法应用于需长时间不停机工作的平台内。

普通S波段变频器由上变频及下变频组成。中频信号进入上变频后先进入中频放大器放大信号，然后经过中频滤波器滤波后給入混频器与本振产生的本振信号混频到射频信号，再经射频滤波器进行滤波，再经数控衰减器增益调整后給入射频放大器信号放大后输出。射频信号进入下变频后先进入射频放大器放大信号，然后经过射频滤波器滤波后給入混频器与本振产生的本振信号混频到中频信号，再经中频滤波器进行滤波，再经数控衰减器增益调整后給入中频放大器信号放大后输出。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种S波段变频装置及主、备机箱切换控制方法，提高了系统稳定性，降低了故障造成的危害，解决了S波段变频装置故障停机维修问题，提高了运转效率，为维修和维护提供了充足时间，降低了维修的总体费用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

本发明提供了一种S波段变频装置，包括均拥有独立供电装置的主用机箱与备用机箱，主用机箱实时将工作状态上传给备用机箱，当主用机箱自检测出现故障时，停用主用机箱并切换到使用备用机箱，备用机箱依照故障前主用机箱上传状态数据自动恢复工作状态。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述主用机箱与备用机箱均包括上变频模块、下变频模块、电源模块、控制模块、前面板、以及后面板；上变频模块将中频信号70MHz±12MHz上变为S波段信号，同步外标频时钟信号，并为下变频模块提供参考时钟信号；下变频模块将S波段信号下变为中频信号70MHz±12MHz；电源模块将220V交流电转换为+12V直流电与+5V直流电；控制模块控制并检测上、下变频模块，通过后面板网口与外界通讯，通过DB9孔实现主备用机箱箱通讯，控制前面板屏幕显示当前设置状态及信息。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述上变频模块包括上变频通道、F0_上滤波器、F1_上滤波器、中频输入接口、中频输入监测接口、射频输出接口、射频输出监测接口、外频标输入接口、参考时钟输出接口、电源接口、控制接口,上变频通道又包括时钟电路、本振电路、中频通道电路、混频电路、射频通道电路。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述下变频模块上包括下变频通道、F0_下滤波器、F1_下滤波器、控制模块、源模块、中频输出接口、中频输出监测接口、射频输入接口、射频输入监测接口、参考时钟输入接口、电源接口、控制接口，上变频通道包括本振电路、射频通道电路、混频电路以及中频通道电路。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述控制模块的电路包括控制整个机箱运行的130电路、通过网口与远程计算机通讯的STM32电路以及M25P16电路。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述前面板包括电源开关、指示灯区、显示区、按键区以及上下通道监测信号输出，上下通道监测信号输出包括道监测口以及接收通道监测，发射通道监测口包括“中频输出”和“射频输出”监测，监测信号与主通道信号幅值相差-30±1dB；接收通道监测包括“中频输出”和“射频输出”监测，监测信号与主通道信号幅值相差-20±1dB。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述后面板包括、电源插座、接地柱、网口插座、主备用机箱连接口、下变频端口、上变频端口、外参考输入接口。

本发明还提供了一种S波段变频装置的一种主、备机箱切换控制方法，切换判定遵循以下原则：1、通过监测上、下变频的通道增益状态与所设状态对比，如通道增益状态超出所设状态的范围则从主机箱切换到备用机箱；2、检测锁相环锁定指示是否正常，如异常则从主机箱切换到备用机箱；3、监测变频器内部各组成部分电流是否正常，如不正常则从主机箱切换到备用机箱。

本发明技术方案的进一步改进在于：当监测到外频标无输入、上变频通道中频信号输入功率超范围、下变频通道射频信号输入功率超范围时，主用机箱不切到换备用机箱，主用机箱正常工作，给出告警信息。

本发明技术方案的进一步改进在于：包括以下步骤：

（1）检测上、下变频模块检测输入、输出信号的功率并提供模拟电压数据给控制模块来识别输入、输出信号功率的大小；当输入信号超过S波段变频装置所规定的输入信号功率的上下限，则判定告警，前面板告警指示灯点亮，屏幕显示具体告警信息；控制模块通过监测的通道增益状态与所设状态超范围，则主用机箱切换到备用机箱前面板故障指示灯点亮屏幕关闭上传故障原因给远程控制的计算机并本地保存故障原因，备用机箱启动成为主用机箱；

（2）上、下变频模块将本振的锁定指示提供给控制模块以作判定；当识别本振未锁定则主用机箱切换到备用机箱前面板故障指示灯点亮屏幕关闭上传故障原因给远程控制的计算机并本地保存故障原因，备用机箱启动成为主用机箱；

（3）控制模块还设有电流检波器来检测上、下变频模块的工作电流来判定上、下变频模块工作状态，若电流超过所设的阈值则主用机箱切换到备用机箱前面板故障指示灯点亮屏幕关闭上传故障原因给远程控制的计算机并本地保存故障原因，备用机箱启动成为主用机箱。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明在原模块基础上将S波段变频装置改为机箱的形式，将上、下变频模块、电源模块、控制模块集成在一个机箱内部，用两个机箱分别作为主备用机箱，形成了一套完整的新型S变频器，提高了系统稳定性，降低了故障造成的危害。本发明的主用机箱发生故障时会在100ms内迅速切换为备用机箱工作，切换时间很短基本上不会影响整个平台的运作，用此来解决S波段变频装置故障不停机维修问题，提高了运转效率，为维修和维护提供了充足时间，降低了维修的总体费用。

本发明的设备采用1:1备份形式，无需备份控制器，在普通S波段的变频器基础上增加了故障自检测功能，当主用变频器发生故障时自动切换到备用变频器。备用机箱既可以做1:1备份使用，又可以做单机设备使用，在保证成本的前提下将运行效率提高了一倍。并且在1:1冗余热备份工作时，其中一台机箱处于维修状态时，不影响另外一台的工作，便于在整个系统不停机状态下快速更换维修设备。

本发明在内部监测测输入、输出信号来判定故障的基础上，增加了上、下变频输入、输出的监测接口，可以通过测量仪表来观测输入S波段变频装置和输出S波段变频装置的信号，可以更正直观的来人为判定故障与设备上报故障是否一致，提高了对故障的排出效率，降低了故障的危害性，有效的提高了对故障预防能力。

控制模块实现功能:控制及检测上、下变频模块，通过后面板网口与外界通讯，通过DB9孔实现主备用机箱箱通讯，通过前面板按键控制S波段变频装置使用，控制前面板屏幕显示当前设置状态及信息。控制前面板指示灯显示模块状态。

附图说明

图1是本发明的上变频模块通道实现框图；

图2是本发明的下变频模块通道实现框图；

图3是本发明的上变频模块时钟实现框图；

图4是控制模块本地控制显示与远程控制实现框图；

图5是单一机箱前面板布局图；

图6是单一机箱后面板布局图；

图7是单一机箱内部布局图；

图8是控制模块原理图母图；

图9是控制模块130电路原理图；

图10是控制模块130电路原理图的第一子图；

图11是控制模块130电路原理图的第二子图；

图12是控制模块130电路原理图的第三子图；

图13是控制模块130电路原理图的第四子图；

图14是控制模块130电路原理图的第五子图；

图15是控制模块130电路原理图的第六子图；

图16是控制模块130电路原理图的第七子图；

图17是控制模块130电路原理图的第八子图；

图18是控制模块130电路原理图的第九子图；

图19是控制模块130电路原理图的第十子图；

图20是控制模块M25P16电路原理图；

图21是控制模块STM32电路原理图；

图22是控制模块STM32电路原理图的第一子图；

图23是控制模块STM32电路原理图的第二子图；

图24是控制模块STM32电路原理图的第三子图；

图25是控制模块STM32电路原理图的第四子图；

图26是控制模块STM32电路原理图的第五子图；

图27是控制模块STM32电路原理图的第六子图；

图28是控制模块STM32电路原理图的第七子图；

图29是控制模块STM32电路原理图的第八子图；

图30是机箱内部钢缆连接路图；

图31是图30的俯视图；

图32是图30的仰视图；

其中，1、上变频通道，2、下变频通道，3、F0_上滤波器，4、F0_下滤波器，5、F1_上滤波器，6、F1_下滤波器，7、控制模块，8、电源模块。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1至图32所示，一种S波段变频装置及主、备机箱切换控制方法。

S波段变频装置包含主用机箱与备用机箱，主用机箱与备用机箱各自拥有独立的220V三相交流电源线进行独立供电，还各自拥有独立的网络通讯接口用于计算机远程控制，主备用机箱箱间通过DB9线缆连接通讯。主用机箱实时上传工作状态给备用机箱，当主用机箱自检测出现故障时，主用机箱切换为备用机箱，备用机箱切换为主用机箱，并依照故障前主用机箱上传状态数据来自动设定恢复工作状态。当无备用机箱时，主用机箱也可以处于单机状态单独工作。

机箱内部，主要分为六部分，包含上变频模块、下变频模块、电源模块8、控制模块7、前面板、后面板。上变频模块、下变频模块、电源模块8、控制模块7四种模块与机箱衬板通过螺钉固定连接，所述上变频模块、下变频模块、控制模块7是该设备的核心，而上变频模块、下变频模块、控制模块7内部核心为电路板，电路板是根据电路原理图制作而成，包括上变频通道1电路、下变频通道2电路、控制电路。还包括固定连接在上变频模块上的上变频通道1、F0_上滤波器3、F1_上滤波器5,固定连接在下变频模块上的下变频通道2、F0_下滤波器4、F1_下滤波器6等。

1、上变频模块

上变频模块实现的功能：将中频信号70MHz±12MHz上变为S波段信号；同步外标频时钟信号；为下变频模块提供参考时钟信号。

上变频模块包含中频输入接口（SMA-K）、中频输入监测接口（SMA-K）、射频输出接口（SMA-K）、射频输出监测接口（SMA-K）、外频标输入接口（SMA-K）、参考时钟输出接口（SMA-K）、电源接口（2001-02P）、控制接口（1132-12P）。

各连接器连接与功能：

（1）中频输入接口与后面板上中频输入接口（N/SMA）相连，中频信号通过后面板输入到上变频模块中。

（2）中频输入监测接口与前面板中频输入监测接口（SMA-K）相连，可以通过前面板的中频输入监测接口来监测输入到上变频中的中频信号。

（3）射频输出接口与后面板上射频输出接口（N/SMA）相连，上变频输出的射频信号通过后面板对外输出。

（4）射频输出监测接口与前面板射频输出监测接口（SMA-K）相连，可以通过前面板的射频输出监测接口来监测上变频对外输出的射频信号。

（5）外标频输入接口与后面板上外标频输入接口（N/SMA）相连，外标频时钟信号通过后面板输入到上变频模块中。

（6）参考时钟输出接口与下变频的参考时钟输入接口相连，参考时钟信号从上变频模块输入到下变频模块中。

（7）电源接口与电源模块8、DC+12V接口相连，电源模块8通过此接口为上变频模块供电。

（8）控制接口与控制模块7的上变频控制接口相连，通过此接口控制模块7来控制上变频模块。

2、下变频模块

下变频模块实现的功能：将S波段信号下变为中频信号70MHz±12MHz。

下变频模块包含中频输出接口（SMA-K）、中频输出监测接口（SMA-K）、射频输入接口（SMA-K）、射频输入监测接口（SMA-K）、参考时钟输入接口（SMA-K）、电源接口（2001-02P）、控制接口（1132-12P）。

各连接器连接与功能：

（1）中频输出接口与后面板上中频输出接口（N/SMA）相连，下变频模块输出的中频信号通过后面板对外输出。

（2）中频输出监测接口与前面板中频输出监测接口（SMA-K）相连，可以通过前面板的中频输出监测接口来监测下变频模块输出的中频信号。

（3）射频输入接口与后面板上射频输入接口（N/SMA）相连，射频信号通过后面板输入到下变频模块中。

（4）射频输入监测接口与前面板射频输入监测接口（SMA-K）相连，可以通过前面板的射频输入监测接口来监测输入到下变频模块的射频信号。

（5）参考时钟输入接口与上变频的参考时钟输出接口相连，参考时钟信号从上变频模块输入到下变频模块中。

（6）电源接口与电源模块8、DC+12V接口相连，电源模块8通过此接口为下变频模块供电。

（7）控制接口与控制模块7的下变频控制接口相连，通过此接口控制模块7来控制下变频模块。

3、电源模块8

电源模块8实现的功能：将220V交流电转换为+12V直流电与+5V直流电。

电源模块8包含AC220V接口、DC+12V接口、DC+5V接口，接地接口。

各连接器连接与功能：

（1）AC220V接口通过EMI滤波器与后面板上三相插座连接，220V交流电通过此插座给电源模块8供电。

（2）DC+12V接口分别与上变频模块的电源接口、下变频模块的电源接口相连，电源模块8通过此接口分别为上、下变频模块提供+12V直流电。

（3）DC+5V接口与控制模块7的电源接口相连，电源模块8通过此接口为控制模块7提供+5V直流电。

（4）接地接口与后面板接地柱相连，电源模块8通过后面板接地柱与机箱外大地相连。

4、控制模块7

控制模块7实现的功能:控制及检测上、下变频模块，通过后面板网口与外界通讯，通过DB9孔实现主备用机箱箱通讯，通过前面板按键控制S波段变频装置使用，控制前面板屏幕显示当前设置状态及信息。控制前面板指示灯显示模块状态。

控制模块7包含上变频控制接口、下变频控制接口、按键控制接口、网口控制接口、主备通讯接口、指示灯控制接口，屏幕控制接口，电源接口，软件更新接口。

（1）上变频控制接口与上变频模块的控制接口相连，通过此接口控制及检测上变频模块。

（2）下变频控制接口与下变频模块的控制接口相连，通过此接口控制及检测下变频模块。

（3）按键控制接口与前面板按键相连，可通过按键来控制控制模块7进而控制整个S波段变频装置。

（4）网络控制接口与后面板网口相连，可通过计算机远程控制控制模块7进而控制整个S波段变频装置。

（5）主备通讯接口与后面板DB9接口相连，主、备用机箱箱间通过此接口进行通讯。

（6）指示灯控制接口与前面板指示灯连接，通过控制指示灯点亮来显示模块状态。

（7）屏幕控制接口与前面板屏幕连接，通过控制屏幕来显示当前设备设置状态及信息。

（8）电源接口与DC+5V接口相连，电源模块8通过此接口为控制模块7提供+5V直流电。

（9）软件更新接口，此口软件更新时使用。

5、前面板

前面板拥有四个监测输出接口（SMA-K），分别可以用来监测上、下变频模块的输入输出信号；前面板拥有一个液晶显示屏来显示当前设备设置状态及信息；前面板拥有六个按键，通过屏幕显示，以此本地控制S波段变频装置；前面板拥有个LED指示灯来显示模块状态；前面板还拥有一个电源开关，来控制S波段变频装置的供电。

前面板包括：

电源开关：开启/关闭交流电。

指示灯区：显示系统各功能的工作状态。

显示区：可通过显示屏显示现阶段设置的状态。

按键区：在本地控制时，可通过按键来设置系统参数。

上下通道监测信号输出：发射通道监测口包括“中频输出”和“射频输出”监测，监测信号与主通道信号幅值相差-30±1dB；接收通道监测包括“中频输出”和“射频输出”监测，监测信号与主通道信号幅值相差-20±1dB。

6、后面板

后面板有五个信号接口（N/SMA），分别为外标频输入接口，上变频中频输入接口、上变频射频输出接口、下变频射频输入接口、下变频中频输出接口；后面板还有三相电源插座用来连接220V交流电；后面板拥有一个接地柱用来与外界大地相连；后面板拥有一个网络接口，可通过计算机远程控制S波段变频装置；后面板拥有一个DB9接口，通过DB9交叉线连接主备用机箱箱，来实现主备用机箱的信息交互。

后面板包括：

电源插座：标示为“X7 电源接口”，三针交流电接口。可输入电源为单相交流电，频率50±1Hz，电压220±22V。

接地柱：标示为“X8 接地”，机箱与大地连接端子。

网口插座：标示为“X6 网口”为“100 BASE-RJ45”连接口，可通过此网口进行远程控制。

主备机连接口：为主机与备机之间的通信连接口，接头形式为DB9-针。

下变频端口：标示“X1 射频信号输入”为射频输入端口，输入范围“-75～-15dBm”。

标示“X2 中频输出端口”为中频输出端口，输出范围“-55～10dBm”。

上变频端口：标示“X4 中频输入端口”为中频输入端口，输入范围“-40～-5dBm”。

标示“X3射频信号输出”为射频输出端口,输出范围“-25～10dBm”。

外参考输入接口：标示“X5外频标输入”，外部10MHz频标输入端口，输入范围“0～13dBm”。

S波段变频装置总体功能要求：

1、完成信号的频率变换；

2、设备工作状态的设置和查询均可通过设备前面板和远控计算机完成；

3、具有外频标输入，能够完成内外频标的自动检测与切换；

4、内频标状态下，其他性能指标能满足；

5、设备为1:1备份形式（无需备份控制器），主用设备发生故障时自动切换到备用设备，（既可以做1:1备份使用，又可以做单机设备使用）；

6、具有输入、输出信号的监测接口；

7、能进行输出功率检测；

8、主用备用设备的切换可以在本地或通过计算机远程控制完成；

9、变频器可以在远程或者本地修改设备信息和地址；

10、首次开机增益为最小值，每次开机调用关机前变频器的设置；

11、变频器有两个通道，分为上变频通道1和下变频通道2，双通道增益单独控制；可以通过配置切换S波段，两个通道的S频率同时切换，同一时刻变频器的射频端频率一致；

12、1:1冗余热备份工作时，其中一台变频器处于维修状态时（该变频器接口悬空或者断电等），不影响另外一台变频器工作。

对于以上功能及指标，对于本发明来说最难实现的也是最重要的是故障判定及主用机箱与备用机箱之间交互通信，还有判定故障后主备用机箱切换。

主用机箱和备用机箱切换时涉及的判定条件包括：1、通过监测上、下变频的通道增益状态与所设状态对比是否超范围（检测输入与输出功率值，衰减器所设置值计算所得）。2、锁相环锁定指示是否正常。3、变频器内部各组成部分电流监测是否正常。

当监测到以下异常时，主用机箱不切换备用机箱，主用机箱正常工作，但给出告警信息。

告警条件：

外频标无输入、上变频通道1中频信号输入功率超范围、下变频通道2射频信号输入功率超范围。

主用机箱和备用机箱切换时需要判定的过程包括：

（1）上、下变频模块检测输入、输出信号的功率并提供模拟电压数据给控制模块7来识别输入、输出信号功率的大小；当输入信号超过S波段变频装置所规定的输入信号功率的上下限，则判定告警，前面板告警指示灯点亮，屏幕显示具体告警信息；控制模块7通过监测的通道增益状态与所设状态超范围（检测输入与输出功率值，衰减器所设置值计算所得），则主用机箱切换到备用机箱前面板故障指示灯点亮屏幕关闭上传故障原因给远程控制的计算机并本地保存故障原因，备用机箱启动成为主用机箱。

（2）上、下变频模块将本振的锁定指示提供给控制模块7以作判定；当识别本振未锁定则主用机箱切换到备用机箱前面板故障指示灯点亮屏幕关闭上传故障原因给远程控制的计算机并本地保存故障原因，备用机箱启动成为主用机箱。

（3）控制模块7还设有电流检波器来检测上、下变频模块的工作电流来判定上、下变频模块工作状态，若电流超过所设的阈值则主用机箱切换到备用机箱前面板故障指示灯点亮屏幕关闭上传故障原因给远程控制的计算机并本地保存故障原因，备用机箱启动成为主用机箱。

以上三点形成了本发明主、备用机箱切换的判定机制。

S波段变频装置的主用机箱工作时，备用机箱处于备用状态，即上、下变频通道2（变频器内部分为上变频通道1及下变频通道2）电源处于关闭状态、显示屏处于关闭状态、控制部分处于开启状态。主用机箱每隔一段时间上传工作状态给备用机箱；当主用机箱的通道出现故障时，主用机箱发送命令给备用机箱，备用机箱接到命令后启动，上、下变频通道2打开电源，显示屏打开，控制部分按主用机箱所上传工作状态进行设置，各单元开始工作；启动时间主要包括通讯时间、电源切换时间和控制部分按主用机箱所上传工作状态进行设置所用时间决定，总时间大约为80ms，切换时间很短不影响设备正常工作。

本发明在原模块基础上将S波段变频装置改为机箱的形式，将上、下变频模块、电源模块8、控制模块7集成在一个机箱内部，然后用两个机箱分别作为主备用机箱，以整机形式安装在一些平台内，形成了一套完整的新型S变频器。本发明的主用机箱发生故障时会在100ms内迅速切换为备用机箱工作，切换时间很短基本上不会影响整个平台的运作，用此来解决S波段变频装置故障不停机维修问题。

本发明在内部监测输入、输出信号来判定故障的基础上，增加了上、下变频输入、输出的监测接口，可以通过测量仪表来观测输入S波段变频装置和输出S波段变频装置的信号。可以更正直观的来人为判定故障与设备上报故障是否一致。