李勛章，張 濤，范紅軍

（海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，青島266041）

航空兵部隊(duì)使用的化學(xué)電源都是蓄電池，又稱為航空蓄電池。 航空蓄電池在飛機(jī)上有著極其重要的作用，只有具備了高質(zhì)量的航空蓄電池，才能確保軍用飛機(jī)順利地起飛升空、安全飛行。 根據(jù)相關(guān)的使用維護(hù)要求，需要定期通過(guò)航空蓄電池專用充放電設(shè)備對(duì)航空蓄電池進(jìn)行充放電操作，以保證其良好的工作性能。 一般充放電時(shí)間都較長(zhǎng)，為了判斷充放電是否完成， 以及預(yù)防充放電事故的發(fā)生，需要全程按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行充放電數(shù)據(jù)的記錄。 這項(xiàng)工作以往都是由部隊(duì)工作人員手動(dòng)來(lái)完成，人力耗費(fèi)巨大，而且由于人工參與過(guò)多，很容易出現(xiàn)各種問(wèn)題。 因此有必要研制一套全自動(dòng)的充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為中心，能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確測(cè)量各型軍用航空蓄電池的充放電數(shù)據(jù)，并以此為根據(jù)進(jìn)行充放電過(guò)程中各項(xiàng)任務(wù)的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)以及事故預(yù)警。

1 總體設(shè)計(jì)方案

要實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程中各項(xiàng)任務(wù)的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)以及事故預(yù)警功能，首先要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠完成對(duì)充放電數(shù)據(jù)（如單元格電壓、蓄電池溫度、蓄電池總電壓等）的實(shí)時(shí)檢測(cè)，其次要保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算，對(duì)充電狀態(tài)的分析以及對(duì)充電事故的預(yù)警[1]。 根據(jù)這一思路，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)功能包括：通過(guò)自主研制的軍用航空蓄電池專用監(jiān)測(cè)扣板裝置，自動(dòng)檢測(cè)充放電數(shù)據(jù)，檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸至以單片機(jī)為控制中心的上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理；監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)觸摸屏進(jìn)行顯示；故障信息通過(guò)閃光燈報(bào)警裝置進(jìn)行預(yù)先閃光報(bào)警；測(cè)試結(jié)果通過(guò)微型打印機(jī)進(jìn)行即時(shí)打印輸出。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。 根據(jù)設(shè)計(jì)功能的確定，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、顯示輸出系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。 其中，單片機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的處理以及與顯示輸出系統(tǒng)的交互；信號(hào)處理系統(tǒng)完成對(duì)充放電數(shù)據(jù)的采集和調(diào)理，包括專用監(jiān)測(cè)扣板、信號(hào)調(diào)理模塊；顯示輸出系統(tǒng)完成人機(jī)交互、結(jié)果顯示、閃光報(bào)警、打印輸出等功能；軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的處理、交互通訊、分析預(yù)測(cè)等功能。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall design block diagram

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、專用監(jiān)測(cè)扣板裝置設(shè)計(jì)、通訊電路設(shè)計(jì)、輸入信號(hào)硬件濾波電路設(shè)計(jì)、升壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1） 核心處理器 MCU 采用ATmega16 型單片機(jī)。 ATmega16 是ATMEL 公司生產(chǎn)的基于增強(qiáng)的AVR RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)reduced instruction set computer） 結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS 微處理器。它具有16 kB 系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash 存儲(chǔ)器，512 B的EEPROM，1 kB 的SRAM，內(nèi)置8 路10 位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的A/D 轉(zhuǎn)換器，1 個(gè)SPI串行端口，以及6 個(gè)可以用于軟件進(jìn)行選擇的省電模式[2]。

2）標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該采集系統(tǒng)要求的最高精度為直流電壓信號(hào)測(cè)量精度為0.5 級(jí)，即測(cè)量誤差為0.5%，綜合轉(zhuǎn)換誤差和系統(tǒng)誤差，滿足采集系統(tǒng)要求的A/D 轉(zhuǎn)換芯片要達(dá)到10 位以上，即分辨率滿足0.1%[3]。

經(jīng)過(guò)指標(biāo)分析，測(cè)試系統(tǒng)最終采用ADS7818 作為采集器，采用CD4067 實(shí)現(xiàn)16 路通道的切換式輸入，采集速度依靠軟件控制為2 kHz。

3）其他部分設(shè)計(jì) 采用TI 公司的SN74HC244芯片作為緩沖驅(qū)動(dòng)芯片；采用串行輸入/并行輸出芯片SN74HC595 作為開關(guān)量輸出芯片，大大節(jié)省了系統(tǒng)的I/O 口開支；采用CA3130 芯片搭建比較器電路；采用4N25 芯片完成輸入信號(hào)的隔離和整形； 采用SN74HC04 芯片搭建施密特整形電路， 提高系統(tǒng)輸入/輸出的穩(wěn)定性；采用RX8025A 芯片配合鋰電池搭建時(shí)鐘日歷電路，完成年/月/日/時(shí)/分/秒等時(shí)間參數(shù)的處理； 采用24C16 串行EEPROM 實(shí)現(xiàn)初始化參數(shù)和斷電恢復(fù)參數(shù)的非易失性保存；采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)與觸摸屏的串行通訊等。

2.2 專用監(jiān)測(cè)扣板裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)原理

對(duì)軍用航空蓄電池充放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不能改變蓄電池的任何結(jié)構(gòu)，故采用將扣板裝置直接扣在蓄電池表面的方法。 即：通過(guò)扣板裝置下面裝配的彈簧探針進(jìn)行電信號(hào)連接，通過(guò)扣板裝置兩邊的懸掛鎖扣進(jìn)行扣板裝置與蓄電池的緊密連接，由于彈簧具有一定的伸縮性，所以可以保證每個(gè)單元格的電極表面都能與探針緊密結(jié)合，保證了測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性。

2.2.2 加工工藝

通過(guò)上述設(shè)計(jì)原理， 委托精密機(jī)械加工廠設(shè)計(jì)、加工了該扣板裝置。 扣板裝置整體采用PVC 絕緣板，探針的外殼采用不銹鋼材質(zhì)，探針彈簧以及探針頭采用鍍銀工藝以保證被測(cè)信號(hào)不被衰減[4]。整個(gè)扣板裝置設(shè)計(jì)充分考慮了部隊(duì)充電人員的實(shí)際使用情況，采用“灌脂”工藝進(jìn)行整體加工，使裝置具有很強(qiáng)的抗震能力。 扣板及探針的外形如圖2所示。

圖2 扣板和探針Fig.2 Gusset plate and probe

2.3 通訊電路設(shè)計(jì)

部隊(duì)的充放電工作場(chǎng)所分布全國(guó)各地，有的處于炎熱的南方，有的處于寒冷的北方，所處環(huán)境比較苛刻，如果采用普通的液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)會(huì)存在高溫照射模糊、易花屏、低溫結(jié)晶等問(wèn)題，因此本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了工業(yè)PLC 觸摸屏作為顯示終端。該類觸摸屏廣泛應(yīng)用于復(fù)雜惡劣環(huán)境， 性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，PLC 觸摸屏一般與PLC 配套直接相連， 廠家提供的出場(chǎng)程序都是面對(duì)PLC 控制器的，如果要將觸摸屏與單片機(jī)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)則需要自行開發(fā)設(shè)計(jì)通訊程序。 該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用異步串行通訊， 在充分理解工業(yè)Modbus 通訊協(xié)議原理的基礎(chǔ)上， 自主研發(fā)了PLC 觸摸屏與單片機(jī)系統(tǒng)連接的Modbus 通訊協(xié)議。該通訊協(xié)議可直接應(yīng)用于單片機(jī)常用的RS232 通訊接口，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，成功實(shí)現(xiàn)了兩者的聯(lián)機(jī)，解決了同類產(chǎn)品在顯示方面長(zhǎng)期存在的一大難題， 具體程序已形成模塊化程序包，可在同類產(chǎn)品開發(fā)中重復(fù)使用。

同時(shí)考慮到部隊(duì)的實(shí)際工作場(chǎng)所中，電氣設(shè)備特別是高頻電氣設(shè)備眾多，存在著較多的電磁干擾，會(huì)對(duì)通訊的鏈路產(chǎn)生一定的干擾。 因此，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，采用了隔離式RS232 通訊，設(shè)計(jì)完成了單片機(jī)系統(tǒng)與PLC 觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通訊，保證通訊電路中單片機(jī)一側(cè)與觸摸屏一側(cè)在電路上實(shí)現(xiàn)完全的隔離。 其具體的電路如圖3所示。

圖3 隔離式RS232 通訊電路Fig.3 Isolated RS232 communication circuit

圖中，TX（發(fā)射口）、RX（接收口）、CTRL（控制口）直接來(lái)自于單片機(jī)系統(tǒng)；TX_OUT（發(fā)射口）、RX_OUT（接收口）、CTRL_OUT（控制口）接 至MX232通訊芯片；單片機(jī)系統(tǒng)和MX232 通訊芯片通過(guò)日本東芝高速光隔TLP113 進(jìn)行光電隔離。 所設(shè)計(jì)的隔離式RS232 通訊電路可實(shí)現(xiàn)最高19200 波特率的通訊速率，考慮到穩(wěn)定性，實(shí)際軟件中設(shè)置通訊速率為9600 波特率。

2.4 輸入信號(hào)硬件濾波電路設(shè)計(jì)

由探針引入的輸入信號(hào)會(huì)因接觸的抖動(dòng)而產(chǎn)生一系列疊加在有用信號(hào)上的毛刺信號(hào)，這些毛刺信號(hào)對(duì)于真實(shí)的輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)屬于干擾信號(hào)，必須設(shè)置特定電路進(jìn)行濾除。 該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專用濾波電路進(jìn)行干擾信號(hào)濾波[5]，具體電路如圖4 所示。

圖4 濾波電路Fig.4 Filter circuit

采用2 階高、 低通濾波器構(gòu)成0～0.01 Hz 帶通濾波器。 其中高通濾波器采用2 階壓控電壓源高通濾波，其傳遞函數(shù)為

幅頻響應(yīng)為

式中：ωn為特征角頻率；Q 為等效品質(zhì)因數(shù)。

采用該帶通濾波器后，可有效地濾除低頻信號(hào)的干擾，保證信號(hào)的準(zhǔn)確，濾波前后的信號(hào)如圖5所示。

圖5 濾波前后的信號(hào)Fig.5 Signal before and after filtering

2.5 升壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作電源為+24 V，來(lái)自于被測(cè)的蓄電池， 而不同類型的軍用航空蓄電池種類不同，有12 V 和24 V 兩種，當(dāng)蓄電池為12 V 時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)法無(wú)法正常工作。 因此設(shè)計(jì)了升壓電源系統(tǒng)，完成12～24 V 的升壓功能， 保證在不同軍用航空蓄電池供電狀態(tài)下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均能正常工作。 具體的電路如圖6 所示。

圖6 12～24 V 升壓電源電路Fig.6 12～24 V boost power supply circuit

設(shè)計(jì)使用一個(gè)放大器作為一個(gè)方波振蕩器，環(huán)形電感器和另一個(gè)運(yùn)算放大器作為反饋回路。 其中，R6為50 kΩ 可調(diào)電阻，可以通過(guò)調(diào)整R6來(lái)調(diào)整最終輸出電壓的大小。 最終輸出電壓為

其中

最終計(jì)算出Vout=24 V。 該電源電路的輸出漂移量小，可在不同航空蓄電池供電下，提供穩(wěn)定的輸+24 V 出源。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在此主要采用keil C 語(yǔ)言編程[7]完成各硬件驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)與封裝，在此給出部分驅(qū)動(dòng)示例。

4 具體實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的外形如圖7 所示。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2018 年在部隊(duì)飛機(jī)場(chǎng)站投入使用。 自使用以來(lái)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在每次航空蓄電池充放電過(guò)程中都投入了使用，均圓滿完成了各項(xiàng)任務(wù)，節(jié)省了大量的人力物力，提高了裝備保障的效率，具有較高的使用價(jià)值。

圖7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的外形Fig.7 Outline drawing of monitoring system

5 結(jié)語(yǔ)

為了滿足維護(hù)需求，在此設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的軍用航空蓄電池充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合專用的監(jiān)測(cè)扣板和自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)充放電過(guò)程的全程監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)充放電過(guò)程中各項(xiàng)任務(wù)的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)以及事故預(yù)警，解決了傳統(tǒng)人工操作方式中人力、物力耗費(fèi)大的問(wèn)題，應(yīng)用前景較好，可以對(duì)其他自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)起到借鑒作用。