姜應(yīng)戰(zhàn) 劉金輝 姜海龍 李嘉

（海軍潛艇學(xué)院專業(yè)士官與技術(shù)兵培訓(xùn)系，山東青島 266042）

1 引言

某型機(jī)動(dòng)保障方艙在搶險(xiǎn)救災(zāi)中起著重要作用，整個(gè)系統(tǒng)一般由工作電源機(jī)柜、設(shè)備調(diào)試檢測(cè)機(jī)柜、顯控臺(tái)等組成，其中電源機(jī)柜是整個(gè)保障方艙的“心臟”，其技術(shù)狀態(tài)的好壞將直接影響目標(biāo)設(shè)備能否正常工作，影響整個(gè)保障方艙任務(wù)的順利執(zhí)行。為保證機(jī)動(dòng)保障方艙的良好狀態(tài)，必需對(duì)方艙內(nèi)電源機(jī)柜各路輸出指標(biāo)進(jìn)行定期檢測(cè)。

目前，機(jī)動(dòng)保障方艙電源柜各路輸出指標(biāo)的檢驗(yàn)只有接上目標(biāo)設(shè)備之后才能進(jìn)行，也就是要接實(shí)際負(fù)載。為解決離線檢測(cè)方艙電源的問(wèn)題，研制了某型機(jī)動(dòng)保障方艙電源檢測(cè)裝置，該機(jī)動(dòng)保障方艙電源機(jī)柜包括二十幾組工作電源，利用該裝置可對(duì)整個(gè)電源設(shè)備的空載輸出電壓、額定負(fù)載下的輸出電壓及電流、紋波系數(shù)和負(fù)載效應(yīng)等靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行快速、自動(dòng)、高精度檢測(cè)，以確定各供電電源是否滿足技術(shù)要求。

2 檢測(cè)裝置的硬件組成

檢測(cè)裝置的總體布局和系統(tǒng)組成如圖 1所示。檢測(cè)裝置由控制主機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)和離線工作的PC機(jī)組成。

控制主機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)采用嵌入式微控制器為控制核心。采用嵌入式微控制器而不采用計(jì)算機(jī)的目的是為了減小檢測(cè)裝置的體積，便于移動(dòng)式檢測(cè)，同時(shí)也免于系統(tǒng)維護(hù)，杜絕病毒侵蝕。但裝置仍可離線通過(guò)USB接口將檢測(cè)結(jié)果送至PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、建立數(shù)據(jù)庫(kù)，以進(jìn)行歷史查詢和數(shù)據(jù)處理等。

2.1 控制主機(jī)

控制主機(jī)用微控制器采用 Silicon Laboratories公司的 C8051F340嵌入式微控制器[1]。C8051Fxxx系列微控制器是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。

C8051F340具有40個(gè)I/O口線，所有口線均耐5 V電壓，4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，兩個(gè)串行口，內(nèi)部高精度振蕩器。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)中C8051F340端口的配置包括I2C端口的配置、串行口的配置、鍵盤控制口的分配、液晶顯示器和微型打印機(jī)數(shù)據(jù)端控制端的分配。

C8051F340的USB接口用于與PC通信，將檢測(cè)數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫(kù)，一個(gè)串行口通過(guò)485接口控制檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)電源的指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果在LCD中顯示、存儲(chǔ)及打印等。

2.2 電源檢測(cè)系統(tǒng)

電源檢測(cè)系統(tǒng)主要包含模擬負(fù)載、信號(hào)調(diào)理電路、微控制器和繼電器電路以及電源保護(hù)等電路。模擬負(fù)載采用大功率線繞電阻，通過(guò)測(cè)量電源空載和負(fù)載特性，來(lái)計(jì)算穩(wěn)壓電源的各項(xiàng)指標(biāo)。負(fù)載電阻的大小可根據(jù)電源的額定指標(biāo)確定，相近額定值的電源可采用同一傳感器，并可通過(guò)控制電路將負(fù)載串并聯(lián)后，作為其他電源負(fù)載，這樣可以減少負(fù)載電阻的數(shù)量，從而減少整個(gè)系統(tǒng)的體積。電壓電流信號(hào)來(lái)自信號(hào)調(diào)理電路，這就要求信號(hào)調(diào)理電路有較高的測(cè)量精度、較好的線性度和較快的反應(yīng)速度，而且應(yīng)與被測(cè)電源隔離。

2.2.1 檢測(cè)系統(tǒng)用微控制器

檢測(cè)系統(tǒng)用微控制器為 Silicon Laboratories公司的C8051F350嵌入式微處理器[1]。C8051F340微控制器具有24位A/D轉(zhuǎn)換器及8路模擬輸入多路選擇器，可配置為差動(dòng)輸入，以提高抗干擾能力和轉(zhuǎn)換精度[2]；具有17個(gè)數(shù)字I/O口，均可耐5 V電壓；4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器；全雙工異步通信口；內(nèi)部精度高振蕩器。

24位 A/D轉(zhuǎn)換器及模擬輸入多路選擇器用于檢測(cè)電壓、電流及紋波電壓。電源柜電源在嵌入式微控制器控制下通過(guò)輸出繼電器逐個(gè)送到相應(yīng)電壓變送器、電流變送器和負(fù)載，其電壓、電流和紋波經(jīng)變送器或變換電路后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變換為微控制器能夠測(cè)量、計(jì)算和分析的數(shù)字量。微控制器通過(guò)軟件計(jì)算出電源柜各電源的各項(xiàng)指標(biāo)。

2.2.2 輸入接口與變量程測(cè)量

輸入接口與變量程測(cè)量電路如圖2所示。系統(tǒng)控制輸入繼電器分時(shí)將21路電源送電壓、電流變送器和紋波測(cè)量電路。

輸入繼電器由單片機(jī)口線通過(guò)移位寄存器和驅(qū)動(dòng)電路控制相應(yīng)繼電器動(dòng)作。

電源的模擬負(fù)載采用大功率線繞電阻，同時(shí)通過(guò)繼電器控制實(shí)現(xiàn)電阻的串并聯(lián)，這樣不僅使所有被測(cè)電源能夠帶上額定負(fù)載，而且還可以減少電阻的數(shù)量。

2.2.3 電流電壓測(cè)量

電流電壓的測(cè)量采用霍爾傳感器以實(shí)現(xiàn)被測(cè)電壓、電流與檢測(cè)系統(tǒng)的隔離。隔離的目的是保證被測(cè)電壓不被校驗(yàn)計(jì)量系統(tǒng)影響及實(shí)現(xiàn)無(wú)測(cè)量插入損耗[3]。

開(kāi)關(guān)電源輸入頻率和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換頻率引入的紋波噪聲，會(huì)造成電壓和電流幅值測(cè)量誤差，為降低該誤差主要采取以下措施。

（1）被測(cè)信號(hào)采用差動(dòng)傳輸方式，微控制器A/D輸入也配置為差動(dòng)輸入。

圖2 輸入接口與變量程測(cè)量電路

（2）對(duì)電流信號(hào)和電壓信號(hào)連續(xù)采樣4個(gè)工頻周期共40個(gè)瞬時(shí)值，然后取平均值，作為被測(cè)電壓幅值和被測(cè)電流幅值，以消除工頻干擾。

電壓調(diào)整率則根據(jù)空載電壓和額定負(fù)載電壓進(jìn)行計(jì)算。

圖3 紋波測(cè)量電路

2.2.4 紋波測(cè)量

紋波測(cè)量是通過(guò)峰值檢測(cè)電路測(cè)量紋波的峰值，然后計(jì)算紋波的峰值[4]。峰值檢測(cè)電路由采樣保持器LF398、高速比較器AD790及運(yùn)放測(cè)量放大電路構(gòu)成，LF398的輸出電壓與輸入電壓通過(guò)比較器進(jìn)行比較，當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓時(shí)，LF398的邏輯控制端被置為高電平，使LF398處于采樣狀態(tài)；當(dāng)輸入電壓達(dá)到峰值而下降時(shí)，LF398的邏輯控制端被置為低電平，使LF398處于保持狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)峰值的保持。每次峰值測(cè)量結(jié)束后，通過(guò)對(duì)保持電容放電，可以使LF398保持的峰值復(fù)位。如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)裝置的運(yùn)行由微控制器程序控制實(shí)施，微控制器程序包括主機(jī)控制程序和檢測(cè)系統(tǒng)程序。程序流程如圖4和圖5所示。

圖4 控制主機(jī)程序流程

3.2 PC軟件設(shè)計(jì)

基于VB平臺(tái)設(shè)計(jì)PC軟件，可將校驗(yàn)計(jì)量系統(tǒng)測(cè)量及計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)和瀏覽。

4 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)裝置進(jìn)行某方艙電源機(jī)柜測(cè)試，并與儀表測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量結(jié)果如表1所示。測(cè)量誤差小于2%，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 檢測(cè)程序流程

表1 測(cè)試結(jié)果

[1] 潘琢金譯. C8051F340、C8051F350混合信號(hào) ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè). Rev1.0 2005.07 www.xhl.com.cn

[2] 何小艇. 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì). 杭州: 浙江大學(xué)出版社,1998.

[3] 王祖強(qiáng), 葛敏, 王照君. 智能電量測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì).電子工藝技術(shù), 2002, 23(6), 263-265

[4] 張乃國(guó), 廉有林. 實(shí)用電子測(cè)量技術(shù). 北京: 電子工業(yè)出版社, 1998.