王 麟，戴思丹

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

盤(pán)裝監(jiān)測(cè)裝置是工程應(yīng)用和某實(shí)驗(yàn)階段的必備儀器，該監(jiān)測(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而保證設(shè)備的正常安全運(yùn)行。盤(pán)裝監(jiān)測(cè)裝置是一種安裝在正常使用時(shí)操作人員可接近的盤(pán)面(由一個(gè)或幾個(gè)安裝儀表的屏、柜、臺(tái)或架組成的構(gòu)件)上的儀表，常用于某實(shí)驗(yàn)時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)。由于現(xiàn)有的盤(pán)裝監(jiān)測(cè)裝置研制時(shí)間較早，所用電子元器件老舊，且部分器件已經(jīng)淘汰，生產(chǎn)和維修陷入困境。隨著芯片制造工藝的飛速發(fā)展和電路設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)，采用新型芯片和軟硬件設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)裝置體積更小、可靠性更高、功能更加完善，能夠更好的滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。因此，為了滿足某實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需求，研制新型盤(pán)裝監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)某實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展具有重要意義。

1 研制目標(biāo)

研制適用于關(guān)鍵參數(shù)采集的盤(pán)裝監(jiān)測(cè)裝置，要求參數(shù)測(cè)量精度與原有監(jiān)測(cè)裝置相當(dāng)，即參數(shù)1測(cè)量精度至少達(dá)到±0.5 s-1，參數(shù)2測(cè)量精度至少達(dá)到±0.5 W，且具備參數(shù)顯示和復(fù)位功能，滿足使用中的實(shí)際需求。

2 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外殼上需要設(shè)置固定位置，且有配套緊固件與其結(jié)合使用，前面板應(yīng)具備關(guān)鍵參數(shù)顯示窗口和復(fù)位按鈕，且其內(nèi)部相應(yīng)位置留有電路板的安裝位置，后背板上有相應(yīng)接口或端子。綜合以上需要，考慮內(nèi)部電路板的大小和位置，設(shè)計(jì)前面板薄膜鍵盤(pán)的樣式示于圖1，使用時(shí)將該薄膜鍵盤(pán)黏貼于前面板凹槽內(nèi)，其上復(fù)位按鍵與顯示電路板對(duì)應(yīng)連接，顯示電路板上的數(shù)碼管可借助于該薄膜鍵盤(pán)上的串口進(jìn)行顯示。

圖1 薄膜鍵盤(pán)示意圖Fig.1 Schematic diagram of membrane keyboard

監(jiān)測(cè)裝置整體外形示意圖示于圖2，監(jiān)測(cè)裝置前面板上設(shè)有關(guān)鍵參數(shù)顯示框和復(fù)位按鈕，并且印有監(jiān)測(cè)裝置型號(hào)和研制單位等信息；監(jiān)測(cè)裝置的主體外殼兩側(cè)有安裝孔，用來(lái)配合緊固件與盤(pán)面進(jìn)行安裝；背板上的輸入輸出端子與電源供電線、傳感器信號(hào)輸入線等連接。

圖2 新型盤(pán)裝監(jiān)測(cè)裝置外殼示意圖Fig.2 Schematic diagram of the shell of the new panel monitoring device

裝置后端輸入輸出端子示意圖示于圖3，“24V+”、“24V-”和“GND”表示24 V電源輸入正負(fù)端子和接地端子；“A#”、“B#”、“C#”和“備用”表示參數(shù)選擇輸入端子，其中使用跳線短接兩個(gè)“A#”端子，表示選擇設(shè)備型號(hào)為A號(hào)，使用跳線短接兩個(gè)“B#”端子，表示選擇設(shè)備型號(hào)為B號(hào)，使用跳線短接兩個(gè)“C#”端子，表示選擇設(shè)備型號(hào)為C號(hào)，使用跳線短接兩個(gè)“備用”端子，表示選擇設(shè)備型號(hào)為備用(可用于試驗(yàn)機(jī)型)；“IN+”和“IN-”為傳感器信號(hào)輸入端子，其余“NC”為未使用端子。在該監(jiān)測(cè)裝置后端正下方設(shè)有該臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置的條形碼編號(hào)，以便維修人員識(shí)別該監(jiān)測(cè)裝置的相關(guān)信息。

圖3 裝置后端輸入輸出端子示意圖Fig.3 Schematic diagram of the input and output terminals at the rear of the device

監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖示于圖4，顯示電路板安裝在前面板上，然后再與支架連接固定。主控電路板直接與支架固定，兩塊電路板件通過(guò)排線連接。接線端子塊與支架固定，它與主控電路板通過(guò)排線連接。主體外殼通過(guò)螺釘與支架連接，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)保護(hù)起來(lái)。

圖4 新型盤(pán)裝監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the internal structure of the new panel monitoring device

3 硬件選型及設(shè)計(jì)

3.1 硬件選型

參考國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合新型盤(pán)裝關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的研制目標(biāo)，考慮兼容性、經(jīng)濟(jì)性和擴(kuò)展能力，本文主控電路單片機(jī)采用C8051F040。它是一款高速、高可靠性、低功耗的單片機(jī)，內(nèi)含5個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，8個(gè)輸入/輸出口，資源豐富[1]。其最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率達(dá)到25 MHz，應(yīng)用外部中斷可對(duì)參數(shù)1整形電路的方波信號(hào)進(jìn)行精確計(jì)數(shù)采集，具有6個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列，靈活配置定時(shí)器可保證對(duì)參數(shù)2的精確定時(shí)計(jì)算，能夠滿足監(jiān)測(cè)裝置的研制需求。另外，該芯片在同類產(chǎn)品中廣泛使用，長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行，表明其可靠性較高[2]。

數(shù)字電路選用ALTERA公司的EPM3064ATC，這款CPLD具有集成度高、資源豐富、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并且支持3.3 V供電，與C8051F040接口供電兼容。其引腳間最大延遲僅為4.5 ns，可有效保證對(duì)于參數(shù)2計(jì)算時(shí)C8051F040外部中斷的精準(zhǔn)觸發(fā)，從而保證參數(shù)2的準(zhǔn)確測(cè)量[3-4]。放大整形電路采用AD822雙通道低功耗運(yùn)算放大器芯片和LM393電壓比較器芯片，主要用來(lái)將傳感器信號(hào)整形成特定幅值的方波，以供主控電路采集處理。組合應(yīng)用放大器和電壓比較器，可以保證小信號(hào)的采集，同時(shí)濾除干擾信號(hào)，從信號(hào)處理方面為參數(shù)1和參數(shù)2的準(zhǔn)確測(cè)量提供保障[5]。

顯示電路共需要9個(gè)數(shù)碼管，經(jīng)調(diào)研決定采用1個(gè)兩位數(shù)碼管和1個(gè)三位數(shù)碼管組成參數(shù)1顯示框，采用1個(gè)四位數(shù)碼管作為參數(shù)2顯示框。采用2個(gè)74HC164移位寄存器級(jí)聯(lián)來(lái)驅(qū)動(dòng)9個(gè)數(shù)碼管。

供電電路選用金升陽(yáng)WRB2405S-3WR2電源模塊，將24 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V，并且具備持續(xù)短路保護(hù)和短路自恢復(fù)功能。采用AS1117芯片將5 V轉(zhuǎn)化為數(shù)字電路所需的3.3 V電壓。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上硬件選型進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，其連接方式示于圖5。傳感器信號(hào)首先進(jìn)入放大整形電路，然后經(jīng)整形濾波的信號(hào)同時(shí)進(jìn)入主控電路和數(shù)字邏輯電路，根據(jù)功能選擇電路的配置，經(jīng)主控電路與邏輯電路計(jì)算處理后，送顯示電路，在驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)顯示。同時(shí)，電源供電電路將輸入的24 V電壓轉(zhuǎn)化為5 V和3.3 V供整個(gè)電路使用。

圖5 新型盤(pán)裝監(jiān)測(cè)裝置電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of the circuit of the new panel monitoring device

3.2.1放大整形電路 在放大整形電路中(圖6)，傳感器信號(hào)首先經(jīng)過(guò)RC濾波器進(jìn)行濾波，然后通過(guò)AD822的兩極放大器將原始信號(hào)放大，再通過(guò)LM393電壓比較器，將原類正弦信號(hào)整形成方波信號(hào)SIN，以供主控電路和數(shù)字邏輯電路采集處理。該電路主要完成原傳感器信號(hào)的濾波整形放大，將信號(hào)中的有效信息變成可以被單片機(jī)采集處理的方波信號(hào)。

圖6 放大整形電路原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of amplifying and shaping circuit

3.2.2主控電路和數(shù)字邏輯電路 如圖7所示，經(jīng)放大整形電路處理過(guò)的SIN方波信號(hào)首先進(jìn)入C8051F040單片機(jī)，提取方波信號(hào)中的參數(shù)1信息，同時(shí)單片機(jī)利用CPLD芯片組成的D觸發(fā)器控制單片機(jī)的外部中斷，控制內(nèi)部計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的結(jié)算，經(jīng)計(jì)算得到關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)。采用Verilog硬件描述語(yǔ)言在QUARTUS Ⅱ軟件平臺(tái)上完成CPLD中D觸發(fā)器的設(shè)計(jì)。Verilog是一種硬件描述語(yǔ)言，用于從算法級(jí)、門(mén)級(jí)到開(kāi)關(guān)級(jí)的多種抽象設(shè)計(jì)層次的數(shù)字系統(tǒng)建模。被建模數(shù)字系統(tǒng)對(duì)象的復(fù)雜性介于簡(jiǎn)單的門(mén)和完整的電子數(shù)字系統(tǒng)之間[6-7]。Verilog以文本形式描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為，用它可以表示邏輯電路圖、邏輯表達(dá)式，還可以表示數(shù)字邏輯系統(tǒng)所完成的邏輯功能[8]。

圖7 主控電路和數(shù)字邏輯電路原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of main control circuit and digital logic circuit

3.2.3顯示電路 如圖8所示，經(jīng)主控電路計(jì)算得到的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)74HC14反相器芯片直接并行送入數(shù)碼管顯示電路。其中，信號(hào)A0和A1用來(lái)控制顯示驅(qū)動(dòng)電路對(duì)9個(gè)數(shù)碼管進(jìn)行循環(huán)掃描，其余A、B、C、D、E、F、G和DF信號(hào)用來(lái)控制數(shù)碼管顯示內(nèi)容。這里用反相器來(lái)提高單片機(jī)接口的帶載能力。

圖8 顯示電路原理示意圖Fig.8 Display circuit schematic

3.2.4顯示驅(qū)動(dòng)電路 如圖9所示，顯示驅(qū)動(dòng)電路受控于主控電路的信號(hào)A0和A1，使得信號(hào)BG1到BG9循環(huán)被置1，從而使數(shù)碼管被循環(huán)點(diǎn)亮。其中，信號(hào)A0為使能信號(hào)，每當(dāng)該信號(hào)有高電平到來(lái)，則74HC164串入并出寄存器開(kāi)始新的一次循環(huán)，即從信號(hào)BG1開(kāi)始再次重新開(kāi)始置1；信號(hào)A1為時(shí)鐘信號(hào)，該信號(hào)主要用來(lái)控制寄存器的切換速度，從而控制每個(gè)數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間和數(shù)碼管間的切換速度。

圖9 顯示驅(qū)動(dòng)電路原理示意圖Fig.9 Display driving circuit schematic diagram

3.2.5功能選擇電路和電源供電電路 如圖10所示，功能選擇電路通過(guò)判斷4個(gè)I/O端口的狀態(tài)來(lái)選擇不同計(jì)算參數(shù)，從而使該監(jiān)測(cè)裝置達(dá)到適應(yīng)不同型號(hào)設(shè)備的目的。在電源供電電路中，外部輸入24 V電壓經(jīng)過(guò)WRB2405S-3WR2金升陽(yáng)模塊轉(zhuǎn)化為5 V，再通過(guò)AS1117芯片轉(zhuǎn)化為3.3 V電源，為整個(gè)監(jiān)測(cè)裝置電路供電。

圖10 功能選擇電路和電源供電電路原理圖Fig.10 Function selection circuit and power supply circuit schematic diagram

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 參數(shù)1測(cè)量

在軟件中配置T0為16位計(jì)數(shù)器，T1為16位定時(shí)器，然后設(shè)置計(jì)數(shù)器和定時(shí)器中斷。每當(dāng)外部中斷位符合條件，則觸發(fā)T0脈沖數(shù)結(jié)算和T1測(cè)評(píng)時(shí)間結(jié)算，然后再將得到的數(shù)字除以6得到最終的參數(shù)1數(shù)據(jù)。因此，參數(shù)1的準(zhǔn)確測(cè)量由計(jì)數(shù)器及定時(shí)器的準(zhǔn)確性，以及外部中斷觸發(fā)結(jié)算時(shí)刻的準(zhǔn)確性決定。本文通過(guò)選用主頻滿足需求的主控芯片、引腳間延遲僅為4.5 ns的CPLD芯片，以及合理的放大整形電路保障參數(shù)1的準(zhǔn)確測(cè)量。

4.2 參數(shù)2測(cè)量

在軟件中配置T2為16位捕捉定時(shí)器，然后設(shè)置該定時(shí)器中斷。每當(dāng)外部中斷位符合條件，則觸發(fā)T2捕捉定時(shí)器結(jié)算參數(shù)2計(jì)算時(shí)間。當(dāng)有參數(shù)2測(cè)量命令時(shí)，先要觸發(fā)單片機(jī)T2定時(shí)器工作，捕捉與參數(shù)1數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的時(shí)間。然后連續(xù)測(cè)量五次參數(shù)1數(shù)據(jù)，并且連續(xù)捕捉五次與參數(shù)1數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的時(shí)間數(shù)據(jù)，再?gòu)闹泻Y選出符合要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在參數(shù)1測(cè)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)多次測(cè)量篩選數(shù)據(jù)保障參數(shù)2的準(zhǔn)確測(cè)量。

4.3 顯示驅(qū)動(dòng)

由于采用數(shù)碼管循環(huán)掃描的方式進(jìn)行顯示，所以需要對(duì)所用數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其快速循環(huán)點(diǎn)亮。采用兩片74HC164串入并出寄存器級(jí)聯(lián)使用，控制9個(gè)數(shù)碼管的循環(huán)點(diǎn)亮。74HC164是高速硅門(mén)CMOS器件，與低功耗肖特基型TTL(LSTTL)器件的引腳兼容。該芯片是8位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)輸入端(DSA或DSB)之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個(gè)輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，不能懸空。

將第一片74HC164的使能端口DSB與單片機(jī)P4.1口連接，第二片74HC164的使能端口與第一片的Q7口連接，兩個(gè)芯片的時(shí)鐘端口CLK都與單片機(jī)P4.0口連接。通過(guò)控制單片機(jī)給出足夠使用的時(shí)鐘信號(hào)到P4.0接口，以控制每個(gè)數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間和切換速度。根據(jù)74HC164芯片資料，要想讓串入并處寄存器控制數(shù)碼管循環(huán)點(diǎn)亮，則使能端口DSB和時(shí)鐘端口CLK的時(shí)序如圖11所示。

圖11 74HC164串入并出寄存器控制端口時(shí)序圖Fig.11 74HC164 serial input and output register control port timing diagram

當(dāng)需要控制數(shù)碼管點(diǎn)亮?xí)r，置使能端口DSB為高電平，則當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CLK上升沿到來(lái)時(shí)，寄存器開(kāi)始工作，隨后置使能端口DSB為低電平，每當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CLK上升沿到來(lái)時(shí)，數(shù)碼管向后移動(dòng)一位，直至最后一個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮后，在下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CLK上升沿到來(lái)之前，再置使能信號(hào)DSB為高電平，則數(shù)碼管從第一個(gè)開(kāi)始點(diǎn)亮，重復(fù)以上過(guò)程，則單片機(jī)控制數(shù)碼管循環(huán)點(diǎn)亮。

4.4 主軟件流程

根據(jù)新型盤(pán)裝關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的研制目標(biāo)，按照上文硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)行軟件編程，軟件主流程圖示于圖12。

圖12 軟件主流程圖Fig.12 Software main flow chart

新型盤(pán)裝關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置正常上電開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行參數(shù)初始化，進(jìn)行交叉開(kāi)關(guān)、系統(tǒng)時(shí)鐘以及T0計(jì)數(shù)器、T1、T2、T3定時(shí)器的配置，并設(shè)置測(cè)量步驟Mstep等于0。再根據(jù)單片機(jī)外部端口的狀態(tài)(即參數(shù)選擇端子)，配置算法，以適應(yīng)不同型號(hào)設(shè)備的要求。然后開(kāi)啟T0計(jì)數(shù)器、T1、T2、T3定時(shí)器，并開(kāi)啟中斷[9]。檢測(cè)測(cè)量步驟Mstep的值，如果Mstep等于0，則重新配置T2定時(shí)器，并啟動(dòng)定時(shí)器、開(kāi)啟中斷，再設(shè)置Mstep等于1。然后檢測(cè)T3定時(shí)器是否超時(shí)，若超時(shí)表明無(wú)信號(hào)輸入到監(jiān)測(cè)裝置，則設(shè)置參數(shù)1為0，并在參數(shù)2顯示框顯示報(bào)警信息。若T3定時(shí)器未超時(shí)，則表明傳感器信號(hào)正常輸入，進(jìn)行參數(shù)1計(jì)算并顯示存儲(chǔ)[10]。監(jiān)測(cè)裝置開(kāi)機(jī)后將循環(huán)往復(fù)進(jìn)行參數(shù)1和參數(shù)2計(jì)算。

由于采用了掃描數(shù)碼管的方式進(jìn)行顯示，需要在關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算過(guò)程中添加多次顯示程序，才能保證數(shù)碼管顯示無(wú)閃爍。軟件設(shè)計(jì)中用到的單片機(jī)內(nèi)部資源分配情況列于表1。

表1 單片機(jī)內(nèi)部資源分配情況表Table 1 Table of internal resource allocation of MCU

5 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)裝置的功能和測(cè)量精度是否滿足研制目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)新型盤(pán)裝關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析。實(shí)驗(yàn)中使用的檢驗(yàn)儀器為FLUKE 271信號(hào)發(fā)生器，主要是利用該儀器的掃頻功能。

5.1 參數(shù)1測(cè)量精度

隨機(jī)選取一臺(tái)新型關(guān)鍵參數(shù)盤(pán)裝監(jiān)測(cè)裝置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求正確配置參數(shù)選擇端子，連接24 V電源和地線，再連接傳感器輸入端子到該臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，打開(kāi)24 V電源，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓有效值為100 mV，頻率f1的信號(hào)接入監(jiān)測(cè)裝置傳感器信號(hào)輸入端，記錄顯示的頻率值，此時(shí)顯示(f1/6±0.5) s-1為合格。合格后保持電壓有效值不變，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率輸出，至頻率f5結(jié)束。從頻率f6開(kāi)始，每增加一定頻率記錄一次顯示的頻率值，其測(cè)量精度在±0.5 s-1以內(nèi)合格。

再調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓有效值為1 V，頻率f6的信號(hào)接入該監(jiān)測(cè)裝置信號(hào)輸入端，記錄顯示的頻率值，此時(shí)顯示(f6/6±0.5) s-1為合格。合格后保持電壓有效值不變，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率輸出，至頻率f21結(jié)束。每增加一定頻率記錄一次顯示的頻率值，測(cè)量精度在±0.5 s-1以內(nèi)合格。

監(jiān)測(cè)裝置參數(shù)1實(shí)驗(yàn)詳細(xì)數(shù)據(jù)列于表2，從表2中可以看出，參數(shù)1數(shù)據(jù)最大誤差值為+0.1 s-1，可見(jiàn)該臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置符合參數(shù)1測(cè)量的精度要求，且比原有監(jiān)測(cè)裝置對(duì)于參數(shù)1數(shù)據(jù)的檢測(cè)精度+0.5 s-1更高。

表2 監(jiān)測(cè)裝置參數(shù)1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Monitoring device parameter 1 test data

5.2 參數(shù)2測(cè)量精度

隨機(jī)選取一臺(tái)新型關(guān)鍵參數(shù)盤(pán)裝監(jiān)測(cè)裝置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求正確配置參數(shù)選擇端子，連接24 V電源和地線，再連接傳感器輸入端子到該臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，打開(kāi)24 V電源，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓有效值為1 V，掃頻周期為100 s，頻率F1～F2連續(xù)掃頻信號(hào)接入監(jiān)測(cè)裝置信號(hào)輸入端。在監(jiān)測(cè)裝置機(jī)身后端接線端子處，使用跳線短接兩個(gè) “A#”端子，即被測(cè)設(shè)備型號(hào)為A號(hào)，參數(shù)2顯示(a±0.5) W為合格；使用跳線短接兩個(gè)“B#”端子，即被測(cè)設(shè)備型號(hào)為B號(hào)，參數(shù)2顯示(b±0.5) W為合格；使用跳線短接兩個(gè)“C#”端子，即被測(cè)設(shè)備型號(hào)為C號(hào)，參數(shù)2顯示(c±0.5) W為合格。

監(jiān)測(cè)裝置參數(shù)2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表3。從表3中可以看出，該臺(tái)新型關(guān)鍵參數(shù)盤(pán)裝監(jiān)測(cè)裝置參數(shù)2數(shù)據(jù)符合測(cè)量的精度要求，且具備適應(yīng)不同型號(hào)設(shè)備測(cè)量需求的能力。其中，a、b和c為不同型號(hào)設(shè)備的參數(shù)2標(biāo)準(zhǔn)值。新型裝置比原有監(jiān)測(cè)裝置對(duì)于參數(shù)2數(shù)據(jù)的檢測(cè)精度+0.5 W更高。

表3 監(jiān)測(cè)裝置參數(shù)2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring device parameter 2 test data

5.3 功能驗(yàn)證

隨機(jī)選取一臺(tái)新型關(guān)鍵參數(shù)盤(pán)裝監(jiān)測(cè)裝置，使用跳線短接兩個(gè)“C#”端子，即被測(cè)設(shè)備型號(hào)為C號(hào)，連接24 V電源和地線，再連接傳感器輸入端子到該臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，打開(kāi)24 V電源，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓有效值為1 V，掃頻周期為100 s，頻率F1～F2連續(xù)掃頻信號(hào)接入監(jiān)測(cè)裝置信號(hào)輸入端。

復(fù)位功能實(shí)驗(yàn)。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先按下監(jiān)測(cè)裝置操作面板的“RST”復(fù)位鍵，進(jìn)行復(fù)位，監(jiān)測(cè)裝置參數(shù)2測(cè)量顯示值歸零，抬起后監(jiān)測(cè)裝置重新進(jìn)行參數(shù)2測(cè)量計(jì)算，并顯示正常，表明該臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置復(fù)位功能正常。

復(fù)位功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表4，由于采用掃頻模式，所以復(fù)位前后參數(shù)2測(cè)量值有一定差異。其中，m表示復(fù)位后的參數(shù)1測(cè)量值，n表示復(fù)位前的參數(shù)2測(cè)量值，e表示復(fù)位前后參數(shù)1測(cè)量值的差值。

表4 復(fù)位功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Reset function verification test data

自檢和報(bào)錯(cuò)機(jī)制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表5，首先斷開(kāi)監(jiān)測(cè)裝置機(jī)身后端設(shè)備型號(hào)選擇接線端子，可以看到參數(shù)2顯示框內(nèi)顯示“E0”，表明參數(shù)選擇端子未正常配置，而參數(shù)1顯示框正常顯示當(dāng)前測(cè)量值；然后使用跳線連接相應(yīng)端子(實(shí)驗(yàn)中選擇“C#”端子)，則監(jiān)測(cè)裝置根據(jù)連接端子的配置，進(jìn)行參數(shù)2計(jì)算并顯示，表明參數(shù)選擇端子正常配置，參數(shù)1顯示框依然顯示當(dāng)前測(cè)量值。

表5 自檢報(bào)錯(cuò)功能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Self-check error report function test data

再斷開(kāi)傳感器信號(hào)輸入端子，則參數(shù)2顯示框內(nèi)顯示“E1”，表明傳感器信號(hào)未正常輸入，此時(shí)參數(shù)1顯示框顯示測(cè)量值為零；再連接傳感器信號(hào)輸入端子，則監(jiān)測(cè)裝置恢復(fù)參數(shù)1測(cè)量計(jì)算并顯示。

綜上所述，該臺(tái)新型盤(pán)裝關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的自檢和報(bào)錯(cuò)功能正常。

為了驗(yàn)證新型盤(pán)裝關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，在實(shí)驗(yàn)室中隨機(jī)選擇5臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行12 h的連續(xù)工作考核實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，每隔30 min觀察關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)并記錄，所有關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)均在精度要求范圍內(nèi)，且各項(xiàng)功能滿足要求。

6 結(jié)論

新型盤(pán)裝關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的成功研制，滿足了實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，該監(jiān)測(cè)裝置參數(shù)1測(cè)量精度達(dá)到±0.2 s-1，參數(shù)2測(cè)量精度達(dá)到±0.1 W，數(shù)據(jù)顯示和復(fù)位功能正常，滿足研制目標(biāo)。與原有監(jiān)測(cè)裝置相比，參數(shù)1和參數(shù)2的檢測(cè)精度更高。

新型盤(pán)裝關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置采用新型微控制器和CPLD進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，體積更小，重量更輕，可靠性更高，還具有很好的兼容性和擴(kuò)展性。采用定時(shí)器中斷與外部中斷相結(jié)合的方式進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量的軟件設(shè)計(jì)，提高了關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量精度及響應(yīng)頻率。在滿足基本功能的基礎(chǔ)上，充分考慮用戶使用和維修的便捷性，增設(shè)了自檢報(bào)錯(cuò)、監(jiān)測(cè)復(fù)位和快速配置型號(hào)的功能。