陳利安，肖明清，禹 航

(空軍工程大學(xué)自動測試系統(tǒng)實驗室，710038)

0 引言

空空導(dǎo)彈是現(xiàn)代空戰(zhàn)中最重要的武器之一。它必需通過導(dǎo)發(fā)架發(fā)射，因此，導(dǎo)發(fā)架功能的好壞會直接影響空空導(dǎo)彈能否正常發(fā)射，進而可能影響戰(zhàn)局。某型導(dǎo)發(fā)架內(nèi)部的115V三相400Hz電源，用以給某型導(dǎo)彈供電。電源性能的好壞，將直接影響導(dǎo)彈能否正常工作。相序不正確，將可能導(dǎo)致陀螺轉(zhuǎn)向改變，造成嚴(yán)重后果[1]。因此，測試導(dǎo)發(fā)架電源的性能有重要意義。

在以往測試中，各相電壓主要利用萬用表測試，相序需要用示波器測量，測試頻率需要用計數(shù)器，需要的測試資源多，測試效率低，且不能實現(xiàn)自動測試。文中利用C8051F410設(shè)計了一種三相鑒相電路板，分別測試其內(nèi)部電源的相序、各相電壓和各相頻率;并能將測試結(jié)果通過RS422通訊方式發(fā)送給上位機。經(jīng)驗證，誤差在2%以內(nèi)，測試精度高，且提高了測試效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 需求分析

某型發(fā)射架中的三相電源，標(biāo)準(zhǔn)幅值為115V(有效值)，頻率為400Hz，相角相差120°。設(shè)此三相電源的數(shù)學(xué)表達式為：

其中：Qmax為最大幅值;ω為角頻率。各項指標(biāo)如下[1]：

1)各相電壓幅值(有效值)：110V、120V;

2)頻率：395～405Hz;

3)相序要求是正序(A→B→C)。

1.2 總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。待測三相電源通過繼電器引入，分成3組，分別測試電壓、頻率和鑒別相序。上位機與單片機(C8051F410)之間采用RS422方式通訊。為簡化電路設(shè)計，所選用的單片機內(nèi)部集成AD轉(zhuǎn)換器。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 主要器件選型

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，單片機采用Silicon Labs公司的C8051F410。它是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，支持非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口，12位200ksps的24通道ADC，帶模擬多路器開關(guān)和增強型UART等[2]，為方便本系統(tǒng)設(shè)計。

真有效值轉(zhuǎn)換芯片選用ANALOG DEVEICES公司的 AD536AKN，它是一種交直流轉(zhuǎn)換芯片。在±15V電源供電時，轉(zhuǎn)換后的直流電壓范圍是 0～7V[3]。

與上位機通訊采用RS422通訊方式，RS422芯片選用 MAX485[4]。

2.2 各分系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 分壓電路

在以往的測試中，主要利用萬用表，示波器、計數(shù)器等測量，可不經(jīng)過分壓，直接測試，但是不利于組建自動測試系統(tǒng)。由于AD536AKN的電壓轉(zhuǎn)換范圍限制，應(yīng)在交直流轉(zhuǎn)換前作分壓處理。采用的分壓電路如圖2所示。

圖2 分壓電路

R1、R2選用高精度電阻，減少誤差。R1選220kΩ，R2選10kΩ，設(shè)合格電壓為 Vs，待測電壓為Vx，在輸出端得到的電壓值為：

由于AD536AKN的直流電壓轉(zhuǎn)換范圍是0～7V，因此，可測Vx的范圍是0～147V，包含合格電壓Vs。

2.2.2 交直流轉(zhuǎn)換電路

用分壓電路的輸出作為本級輸入，采用AD536AKN的標(biāo)準(zhǔn)連接電路，如圖3所示。其中R3是可調(diào)電阻。轉(zhuǎn)換后的值輸出到C8051F410的IO口，本設(shè)計中選擇 C8051F410 的 P0.0～P0.2。

圖3 交直流轉(zhuǎn)換電路

調(diào)整輸入電阻R3，在115V輸入時，使Vin端輸入電壓為4V。在本系統(tǒng)中，選擇參考電壓為+5V，根據(jù)電路的線性性：

因此，可測Vx的范圍是0～143.75V。滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

2.2.3 相序判定電路

某導(dǎo)發(fā)架內(nèi)部三相電源如圖4所示，各相分別為正弦周期信號。

圖4 某導(dǎo)發(fā)架內(nèi)部三相電源示意圖

相序判定主要利用的器件是比較器和D觸發(fā)器，結(jié)果正確時，輸出低電平，同時LED燈點亮。結(jié)果錯誤時，輸出高電平，LED不點亮。如圖5所示。

相序正確時，A、B、C待測三相經(jīng)過比較器后，形成脈沖序列如圖6所示。

圖5 相序判定電路

圖6 相序正確時序圖

根據(jù)D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移特性，在時鐘信號CLK為低電平時，D觸發(fā)器的輸出端 Q保持不變，當(dāng)CLK為高電平時，它的轉(zhuǎn)移特性如圖7所示[5]。

時鐘信號為B相，當(dāng)相序正確時，由圖5可看出，經(jīng)或非門(U12A)輸出為低電平。

若相序錯誤，如B相與C相順序錯誤，則表達式變?yōu)椋?/p>

圖7 鐘控D觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

經(jīng)過比較器后，產(chǎn)生的時序如圖8所示。

圖8 相序錯誤時序圖

2.2.4 測定頻率

頻率測試點從比較器的輸出端引出，直接連接至C8051F410的IO口，利用MCU內(nèi)部計數(shù)器測量。本設(shè)計中，選擇 P0.6 和 P0.7。

3 軟件設(shè)計

軟件流程如圖9所示。系統(tǒng)開機進入等待命令模式，握手成功后，可接收主機發(fā)送的命令選擇測量電壓、監(jiān)測相序和測量頻率。

3.1 測幅值

在實際電路中，A相、B相和C相進行交直流轉(zhuǎn)換后，分別連接至單片機的P0.0～P0.2口。在C8051F410內(nèi)部進行AD轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后值換算成實際值。參考電壓選用C8051F410內(nèi)部參考電壓5V，因此調(diào)整圖4交直流轉(zhuǎn)換電路中的R3，使輸出電壓為4V。

在這個過程中，最重要的工作是如何將單片機中AD采集到的值與實際值對應(yīng)起來，在本設(shè)計中采用的方法是分區(qū)間設(shè)定轉(zhuǎn)換系數(shù)的辦法。

轉(zhuǎn)換系數(shù)的依據(jù)是利用電路的線性性。本電路的工作在常溫狀態(tài)下，因此系數(shù)在常溫下測得。具體方法是：

1)首先給本電路板輸入不同的電壓值，用精確電壓表測得電壓，記錄在矩陣M中。

2)在交直流轉(zhuǎn)換的輸出端測得對應(yīng)電壓，記錄在矩陣N中，以下是示例，在實際應(yīng)用中應(yīng)增加取樣數(shù)，提高精度。

M=[110.0111.2113.9115.3118120.6 122.3];N=[3.83 3.87 3.96 4.02 4.11 4.20 4.26]。

3)用矩陣M中的值除以對應(yīng)N矩陣中的值，得到矩陣Q：

Q=[28.70 28.70 28.74 28.68 28.69 28.7128.70]

4)對矩陣Q分區(qū)間，求得各區(qū)間的平均值矩陣R。

在實際程序中，分為100～110;110～113;113～117;117～120;120～125共5個區(qū)間。若測出值不在此區(qū)間內(nèi)，直接回錯誤代碼0xFF。利用在此條件下得到的N矩陣作為程序判斷區(qū)間的依據(jù)，由此得到系數(shù)矩陣。在單片機AD轉(zhuǎn)換后，先判斷區(qū)間，乘以相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，就可得到實際值。

圖9 軟件流程

3.2 測頻率

測頻率時用到兩個定時器，定時器1定時，定時器2計數(shù)。使定時器1中斷，取出定時器2中的數(shù)值保存，并清空定時器2。為提高測試精度，采用多次測量求平均值辦法，將每5s鐘測量出的5個值平均，減小誤差，各相頻率依次測量，每相分配時間30s。

3.3 測相序

相序判定已經(jīng)由硬件實現(xiàn)，在軟件中要做的是直接讀IO口，高電平表示相序錯誤，低電平表示相序正確。

3.4 通訊協(xié)議

采用RS-422通訊，它是一種平衡傳輸規(guī)范，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式[6]。在本設(shè)計中，定義了上位機發(fā)送命令字格式和鑒相板回發(fā)字格式。

4 結(jié)論

文中所述設(shè)計已投入實際應(yīng)用，結(jié)果表明，幅值誤差在2%以內(nèi)，頻率誤差在0.5%以內(nèi)，相序測量正確，結(jié)果可信。提高了測試效率，有利于組建自動測試系統(tǒng)。

[1]肖明清.某型導(dǎo)彈系統(tǒng)引論[M].西安：空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，2007.

[2]Silicon Labs.C8051F410技術(shù)手冊[OL/M].http：//download.csdn.net/tag/c8051f/orderbypubdate/28.

[3]ANALOG DEVICES.True RMS-to-DC Converter AD536A 技術(shù)手冊[OL/M].http：//www.datasheetcatalog.org/datasheet/analogdevices/320060823AD536A_b.pdf

[4]MAXIM.MAX485技術(shù)手冊[OL/M].http：//www.waveshare.net/datasheet_pdf/MAX485-PDF.html.

[5]IEEE.422 通訊規(guī)范[OL/S].http：//standards.ieee.org/.2011.

[6]王毓銀.數(shù)字電路邏輯設(shè)計(脈沖與數(shù)字電路)[M].3版.北京：高等教育出版社，2002.