吳維林　劉琳

摘要：模擬量采集在懸空狀態(tài)下采集的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)不定態(tài)，這個不定態(tài)是否有規(guī)律，為何出現(xiàn)非線性爬坡或跌落，該文通過大量的試驗論證，整理出模擬量接口在懸空狀態(tài)下的一些規(guī)律，為各位設計師和專家提供一些資料以供參考。

關鍵詞：多路選擇開關； 電容；懸空

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）04-0858-04

1 概述

航天應用中，模擬量的采集用來獲取電子設備的運行狀況，由于航天設備多為無人值守的運行模式，遙測量的采集可以看作是整個系統(tǒng)運行的耳朵和眼睛，在任務中起著舉足輕重的關鍵作用。遙測信息的錯誤，可能會直接對當前狀態(tài)的錯誤判斷，甚至直接影響任務的完成。

論文中遙測采集設備采用傳統(tǒng)的A/D采集模塊，使用硬件電路完成對輸入信號的放大、濾波和組幀等[1]。采用硬件電路可以有效的減小因使用FPGA等器件引起的單粒子翻轉(zhuǎn)效應，但同時存在靈活性差，容易引入干擾的弊端[2]。在進行系統(tǒng)聯(lián)試時，會有用戶沒有完全參與等原因造成模擬量輸入端懸空的可能性，本課題結(jié)合遙測采集設備的特點，主要研究在模擬量采集中遇到的一些特殊情況，對非正常狀態(tài)下采集到的一些數(shù)據(jù)進行分析整理，查找出原因和規(guī)律，有利于正確判讀測試數(shù)據(jù)，不放過疑點，但也不誤判數(shù)據(jù)。

2 遙測采集設備的工作原理

遙測采集設備主要功能可完成采集多路模擬量和數(shù)字量信號，組幀處理后送出。該文著重介紹模擬量采集方面的技術。

遙測采集設備主體部分由多路選擇開關、A/D轉(zhuǎn)換模塊和中央處理單元組成。采集電路分為多塊板，每塊板可采集128路模擬量，交換子從并行總線獲取地址，采用分層控制結(jié)構，由 3級級聯(lián)選出唯一地址，最后傳送至A/D采樣電路，3塊印制板共用一塊AD采樣芯片，通過控制電路發(fā)送選通信號選取采集的模擬通道，模擬采集流程如下圖1所示。

模擬量采集輸入接口芯片采用INTERSIL公司的HI1-0546芯片，采用有介質(zhì)隔離的工藝， 6選1多路選擇開關，有4個地址位控制通道選擇。

3 遙測采集爬坡功能的實現(xiàn)

遙測采集設備在某次測試時，發(fā)現(xiàn)了有幾路模擬量采集的遙測值呈現(xiàn)了爬坡的現(xiàn)象，正常采集時模擬量遙測應該是一個固定值，比如01或者FE，前者代表0V，后者代表5V， 具體的現(xiàn)象如下圖2所示：

當時的模擬量輸入狀態(tài)是第1路接高，第2路懸空，第3路接低，第4路懸空，從第5路開始連續(xù)7、8路遙測爬坡上升。而測試設備開機以后正常工作時單機所有遙測一切正常，所以排除單機AD采樣以及編程出錯問題。爬坡的幾路遙測通道連接的是一塊單獨測試板，當時沒有加電，查詢原理圖后發(fā)現(xiàn)以上通道都集中在同一片HI1-0546開關里，實際情況如圖3所示：

如圖3可以看出，IN5-IN16腳是連接測試板的接口，沒有開機，所以應該先確定IN5-IN16腳相當于什么狀態(tài)。

a）懸空狀態(tài)：測試板沒有與遙測設備相連；

b）測試板與遙測采集設備連接，但測試板沒有加電，由于單機和測試設備二次電源相連，測試單板未開，但是和地線連接，可以等效成一個電容，容值需要試驗驗證。

根據(jù)以上分析，搭建了試驗平臺進行驗證。

4 遙測采集機理論證

4.1 測試平臺組成

為了研究這一情況的原因，我們搭建了兩個測試平臺。第一個是單片測試平臺，如圖4：

單片測試平臺用來驗證：

a）固定通道的情況下，其他引腳的電平是否對其有影響；

b）調(diào)整8腳的接地電容容值，觀察是否會引起充電現(xiàn)象。

第二種是整機測試平臺，如圖5所示：

證：當單機正常工作，相關幾路模擬通道不連接測試設備時，通過手動控制，用各項試驗驗證為何會引起爬坡。

4.2 單片論證

首先進行了單片測試，通過測試發(fā)現(xiàn)：

1） 546固定選通第8路時，第8路輸入接入電容后，輸出信號為低電平，不會發(fā)生充電放電現(xiàn)象；

2） 與第8路相鄰的第7路通道輸入高、低電平不斷切換，第8路輸出信號為低電平，沒有發(fā)生變化，也沒有充電放電現(xiàn)象。

具體數(shù)據(jù)如下：

4.3 整機論證

4.3.1 充放電現(xiàn)象

首先，要證明模擬量升高和降低是否因為電容效應而引起的，我們按照以下狀態(tài)：

測試設備開始工作，單機按照程序開始連續(xù)采集，當我們把電容切換到0.1u范圍開始，5，6，7通道出現(xiàn)爬坡現(xiàn)象，上升呈非線性趨勢，越來越慢，并且隨著電容的增大上升速度變慢。而8-15的懸空腳則不會出現(xiàn)爬坡的情況。當1腳變?yōu)榈碗娖綍r，5-7腳開始緩慢下降，呈現(xiàn)非線性趨勢。

4.3.2 充放電原因

根據(jù)上表可以看出 通道1高電平時，電容就充電，通道1低電平時，開始放電。這個狀態(tài)的原因是由于單機的模擬通道片選方式?jīng)Q定的，見圖6：

上圖標紅00H代表第1路。遙測采集的頻率是每2個字節(jié)采集一次，可以看到每個波道中間會選通一次第1路通道，因為每2次采集中間不進行AD采樣，因此把通道統(tǒng)一選通在第一路，也就是00H，當?shù)?路通道為高電平的時候，電荷會傳到下一個通道，如果是懸空狀態(tài)時，通道上的電壓會穩(wěn)定在一個較高的狀態(tài)（如80左右），如果是有電容的通道則會進行充電行為，呈現(xiàn)緩慢爬坡的現(xiàn)象。反之，1通道變?yōu)榈碗娖交蛘邞铱諘r，電容的電荷開始釋放，緩慢下降。

通過以上的論證，做為遙測采集設備的測試設備，提供模擬量輸出，而在沒有開機的情況下，可以認為等效成了一個大電容，如圖7所示。

4.3.3 物理干擾分析

這些現(xiàn)象是由于切換的順序而引起的干擾，那么物理上相鄰的通道是否有干擾，我們進行了下一項試驗：

1）通道1由高低切換，連接電容前的通道6連高

2）把通道1的高換到其他通道上后

3）調(diào)整6通道的電壓，觀測相鄰的懸空腳變化

對這些實驗進行分析，可得知，只要相鄰的通道是輸入高電壓，就會呈現(xiàn)較高電壓狀態(tài)，如果接電容就會進行充電，懸空腳會受到相鄰管腳電壓的影響。

5 采集結(jié)果分析

正常的模擬量采集時，電壓經(jīng)過模擬開關進入，結(jié)果AD轉(zhuǎn)換后會給出一個固定的數(shù)值，測試設備在提供模擬量輸出時也都是固定輸出的，所以發(fā)現(xiàn)數(shù)值非線性遞增時覺得很奇怪，我們通過兩種平臺的各種驗證，認為要出現(xiàn)爬坡遞增現(xiàn)象需要同時滿足以下條件：

1）模擬輸入通道直接懸空并不會出現(xiàn)電壓上升或下降現(xiàn)象，只有接入電容之后才會有，并且接入的電容容值要達到0.1u級別左右才會開始有充放電現(xiàn)象；

2）達到0.1u的電容效果后，電容越大，上升或下降速度越慢；

3）模擬選擇開關的地址位需要不斷的切換，才能形成電荷累積以及釋放；

4）前一次采集的電壓是高電壓，那么會產(chǎn)生充電效應，低電壓則會產(chǎn)生放電效應；

5）如果前一次的管腳懸空，那么會受到相鄰管腳電壓的影響。

此外，本次驗證還發(fā)現(xiàn)了懸空的管腳會受到相鄰管腳電壓的影響，如：當5-7通道緩慢上升為較高電壓時，懸空的8-15通道會在7AH-80H之間隨機產(chǎn)生，5-7通道下降為較低電壓時，8-15通道在07H左右隨機跳變。

6 總結(jié)

通過研究發(fā)現(xiàn)由于部分測試板未加電，形成了一個大的等效電容，通過波道的切換不斷的進行了充電效果，引起了上述現(xiàn)象。

抑制干擾有三個基本原則：防止干擾竄入、遠離干擾源、消除干擾源[3]。我們建議模擬量采集時，各管腳應該避免懸空，印制板的走線應該盡量增寬，間隔加大，布線要合理，減少互相干擾的幾率；測試設備和單機的兩次回線應該連接在一起，并且是多點連接。

由于在測試中的一次偶然的組合，使設計師發(fā)現(xiàn)了模擬量采集以前未發(fā)現(xiàn)過的現(xiàn)象，該文通過大量的測試驗證和分析研究，取得了一定的成果，得出了結(jié)論，對測控領域或者其他模擬量采集的工作者們可以提供一些幫助，對模擬量數(shù)據(jù)采集設計具有一定參考意義。

參考文獻：

[1] 楊繼東，畢曉光.電力直流系統(tǒng)模擬量開關量的采集[J].機械與電子，2012（3）.

[2] 田方正，李偉.新一代數(shù)據(jù)采集器模擬量采集插件設計技術[J].新技術新儀器，2007（27）.

[3] 藺少強.微型計算機測控系統(tǒng)抗干擾技術綜合策略[J].計算機測量與控制，2007（12）.