焦新泉 董 康 袁延榮 賈興中

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）（2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）（3.北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所 北京 100710）

1 引言

在航空工業(yè)領(lǐng)域中，信號(hào)綜合測(cè)試設(shè)備需要完成大量信號(hào)的精確采集和測(cè)量［1］。該系統(tǒng)的采集設(shè)備、控制設(shè)備以及執(zhí)行部件等大部分為電氣化的設(shè)備，它們穩(wěn)定、可靠和高效地輸出都需要高穩(wěn)定性、高精度的供電設(shè)備來(lái)保證。一般的供電系統(tǒng)通過(guò)濾波電路和穩(wěn)壓電路可以實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備較高精度的輸入，但是供電電源輸出不穩(wěn)定的問(wèn)題一直是困擾測(cè)試臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間高效穩(wěn)定工作主要問(wèn)題［2］。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了監(jiān)控電源的信號(hào)的監(jiān)測(cè)電路，可以實(shí)現(xiàn)電源信號(hào)所在電路電流信號(hào)和電壓信號(hào)的高精度采集，并且通過(guò)FPGA 控制可以使得電壓值和電流值實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)界面，可以直觀地觀察到監(jiān)測(cè)信號(hào)，對(duì)于供電電路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有重要意義，有廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 總體設(shè)計(jì)

基于測(cè)試臺(tái)的電源輸出結(jié)構(gòu)，硬件電路設(shè)計(jì)主要有三個(gè)部分組成，分別為電流信號(hào)監(jiān)測(cè)電路，電壓信號(hào)監(jiān)測(cè)電路和A/D信號(hào)轉(zhuǎn)化電路。FPGA通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電流值和電壓值的采集。采集信號(hào)通過(guò)AD7667信號(hào)轉(zhuǎn)換電路可以將電壓值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，然后通過(guò)FPGA 和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的標(biāo)定和實(shí)時(shí)分析等操作。圖1 為電源信號(hào)監(jiān)測(cè)電路的總體設(shè)計(jì)框圖。

圖1 電路總體設(shè)計(jì)

3 硬件電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 電流信號(hào)監(jiān)測(cè)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

電流監(jiān)測(cè)電路主要實(shí)現(xiàn)測(cè)試臺(tái)輸入電源的電流信號(hào)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，相較于之前通過(guò)一個(gè)在電路中串聯(lián)小電阻通過(guò)電壓轉(zhuǎn)化關(guān)系來(lái)測(cè)試通路中的電流的方式，此次設(shè)計(jì)采用了高靈敏度的霍爾傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的檢測(cè)，如圖2 所示。輸入信號(hào)為Vin，當(dāng)輸入信號(hào)進(jìn)入霍爾傳感器后會(huì)在輸出端輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓值Cin，這個(gè)電壓值通過(guò)后級(jí)電路處理送入FPGA，經(jīng)過(guò)FPGA 和上位機(jī)的處理完成該路電流信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

圖2 電源信號(hào)的電流信號(hào)監(jiān)測(cè)電路

ACS70331EPLCTR-2P5B3 是一種高靈敏的檢測(cè)電流信號(hào)的傳感器，它的輸出電壓精度高，芯片的功耗低［3］?；魻杺鞲衅餍酒瑑?nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 ACS70331EPLCTR 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3 可知，當(dāng)Vin 電壓信號(hào)在IP+輸入，由于內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)信號(hào)可以直接流向IP-，IP+和IP-就會(huì)組成一個(gè)電流回路，感應(yīng)線圈通過(guò)感應(yīng)通路的磁場(chǎng)變換捕捉電流信號(hào)［4］。式（1）為霍爾傳感器輸出電壓轉(zhuǎn)換公式：

其中，Sens為霍爾傳感器靈敏度，由所選芯片類型決定，ACS7033 的Sens=800mv/A。Ip為電路中的工作電流，工作電流由輸入信號(hào)所在的電路決定。根據(jù)所選芯片，所以此處的VIOUT（Q）=0.25V，然后通過(guò)式（1）可以將最后的電壓值計(jì)算出來(lái)。通過(guò)此公式可以標(biāo)定輸入電流和輸出電壓之間的關(guān)系?；魻杺鞲衅魍鈬娐返妮敵龆嗽O(shè)計(jì)了一個(gè)跟隨器，跟隨器具有高輸入阻抗，低輸出阻抗的特點(diǎn)，可以用來(lái)穩(wěn)定輸出信號(hào)，更好地實(shí)現(xiàn)后端電路的阻抗匹配［5］。然后將Cin 送入A/D 轉(zhuǎn)換電路端口，通過(guò)FPGA 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，最終在上位機(jī)端將采集到的電壓值以電流值的形式顯示。

3.2 電壓信號(hào)監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖4 為輸入電路的電壓信號(hào)的監(jiān)測(cè)電路的設(shè)計(jì)。基于測(cè)試臺(tái)輸入常用電源范圍，在信號(hào)采集的前端設(shè)計(jì)了電容濾波電路，電容濾波電路的目的是濾除電源信號(hào)的高頻噪聲，保證輸入信號(hào)的質(zhì)量［6］。在濾波電路后設(shè)計(jì)了分壓電路，分壓電路主要是為了將輸入的電源信號(hào)進(jìn)行合理分壓，確保輸入后級(jí)的電路電壓信號(hào)在可控范圍內(nèi)。U3A 是保證電路設(shè)計(jì)的阻抗匹配跟隨電路。主要保證輸入的電壓信號(hào)有一個(gè)較低的輸出阻抗，可以正常地輸入到后級(jí)的A/D變換采集電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。

圖4 電源信號(hào)電壓監(jiān)測(cè)電路

3.3 信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)采集到的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，轉(zhuǎn)換的精度很大程度上決定了整個(gè)監(jiān)測(cè)電路的測(cè)量精度。從高的數(shù)模轉(zhuǎn)換率速度和轉(zhuǎn)換精度出發(fā)，選擇了AD公司的AD7667［6］。AD7667是一款高速的16位ADC 轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1MSPS。經(jīng)測(cè)試，該芯片工作溫度的范圍也符合測(cè)試臺(tái)的測(cè)試環(huán)境，所以選用這一款A(yù)D轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。然后通過(guò)FPGA 控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電壓值的采集。如圖5 為A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

圖5 電壓信號(hào)監(jiān)測(cè)電路

由圖5 可以看到，Vin 的電壓信號(hào)范圍為-0.75～+5.75V，偏置電壓為2.5V，U1C 的輸出電壓為-0.75～+5.75V，R9=R10=R11=R13，根據(jù)同相加法電路可以計(jì)算得到U2D 的輸出電壓為0.48V～6.9V；R12=12k，R14=24k，R12/R14=1∶2，可以計(jì)算得到U1A的電壓為0.16V～2.3V［7］。

AD7667芯片輸入端信號(hào)的范圍為0～2.5V。通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的分壓調(diào)理之后可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正常輸入。然后將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA 通過(guò)數(shù)字量和電壓量的關(guān)系線性擬合后可以在上位機(jī)端將調(diào)理電路的電壓值和電流值實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，完成對(duì)電路狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。經(jīng)后期測(cè)試，此電路的信號(hào)采集精度在+1%以內(nèi)，在監(jiān)測(cè)的過(guò)程中不影響信號(hào)的輸出精度，可以準(zhǔn)確地完成采集信號(hào)的提取。

4 軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)使用的FPGA 控制芯片為Xilinx公司的高可靠性現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）型號(hào)是XC7Al00T-FGG484，它具有101440 個(gè)邏輯單元，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)6.25GB/s，可通過(guò)外部晶振和AD 采集芯片的調(diào)整設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高精度采集。本次測(cè)試選用的晶振為40M，它可以實(shí)現(xiàn)每到一個(gè)新的時(shí)鐘脈沖，電路就可以有一個(gè)新的指令［7］。首先電路板在上電后進(jìn)行上電復(fù)位操作，然后FPGA 設(shè)置了30s 檢查端口輸出狀態(tài)并開(kāi)始信號(hào)的采集、傳遞和轉(zhuǎn)化的工作。FPGA通過(guò)時(shí)序設(shè)置控制模擬開(kāi)關(guān)切換實(shí)現(xiàn)多路供電電源信號(hào)的的采集，具體的輸入過(guò)程如圖6所示。

圖6 信號(hào)監(jiān)測(cè)軟件流程圖

數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)中，還是要完成數(shù)字量和電壓量的線性標(biāo)定［8］。在上位機(jī)端的顯示中，y 為最終輸出的電壓值，x為采集到的數(shù)字量，線性標(biāo)定的過(guò)程就是一個(gè)一一對(duì)應(yīng)的過(guò)程。而對(duì)于電流值的顯示，需要完成兩次標(biāo)定。第一次標(biāo)定為傳感器本身的標(biāo)定，完成輸入電流值和輸入電壓值的標(biāo)定。此過(guò)程中輸入電流值為x1，輸出電壓值為y1。第二次標(biāo)定是輸入電壓值和數(shù)字量的標(biāo)定，此過(guò)程中輸入電壓值為x2，輸出的數(shù)字量為y2。完成兩次標(biāo)定后電流值即可正確地顯示在上位機(jī)端。對(duì)于電流值的顯示來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)直接標(biāo)定電流值和數(shù)字量的關(guān)系來(lái)驗(yàn)證標(biāo)定過(guò)程的正確性，可以更好地驗(yàn)證測(cè)量的精度是否滿足［9］。

為實(shí)現(xiàn)高精度采集，需要正確分析AD7667 的轉(zhuǎn)換時(shí)序［10］。圖7 為AD7667 的轉(zhuǎn)換時(shí)序控制圖，CS保持為低電平，在DRDY下降沿到來(lái)，并經(jīng)過(guò)t14時(shí)間后SDO 輸出總線上的數(shù)據(jù)有效，這時(shí)，通過(guò)控制SCLK 脈沖并逐個(gè)讀取SDO 輸出總線上的數(shù)據(jù)，當(dāng)讀取完最后一位數(shù)據(jù)后，DRDY 由低變高，標(biāo)志AD7766開(kāi)始進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)采樣。通過(guò)這樣的方式，可以配合FPGA 完成對(duì)與同一信號(hào)不同變化參數(shù)的提取。

圖7 讀取AD7667轉(zhuǎn)化結(jié)果的控制時(shí)序

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 霍爾傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)定過(guò)程

在對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之前，首先應(yīng)該進(jìn)行電路參量的標(biāo)定工作?；魻杺鞲衅魇菣z測(cè)通路電流的元件，首先應(yīng)該進(jìn)行輸入電流值和輸出電壓值的線性標(biāo)定［11］。據(jù)霍爾傳感器的電流感應(yīng)特性，需要搭建一個(gè)回路關(guān)系，如圖8 所示。通過(guò)串聯(lián)一個(gè)阻值為2Ω，功率是28W 的電阻與霍爾傳感器構(gòu)成回路進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)改變輸入電路的電壓值來(lái)改變電流值，然后進(jìn)行擬合。具體關(guān)系如表1所示。

表1 電壓采樣值和FPGA數(shù)字量的標(biāo)定關(guān)系

圖8 霍爾傳感器標(biāo)定示意圖

5.2 數(shù)據(jù)測(cè)試及分析

針對(duì)本次電路設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段主要完成對(duì)測(cè)試臺(tái)幾種常見(jiàn)的供電的監(jiān)測(cè)值和高精度電源的輸入值做了對(duì)比。對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電路典型電壓信號(hào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)試表

本次輸入的電源信號(hào)用了大功率電源，相比于高精度電源，大功率電源的輸入可調(diào)節(jié)范圍大，可以更好地模擬測(cè)試臺(tái)的供電輸入［12］。

通過(guò)表2 對(duì)于典型電壓值的采集可以發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路可以實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的高精度采集。同原始的輸入信號(hào)相比，檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集精度可以控制在1%以內(nèi)，可以更好地實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的檢測(cè)。

此外，針對(duì)測(cè)量中頻率波動(dòng)導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差的問(wèn)題，可以通過(guò)使用濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化處理，從而配合硬件電路達(dá)到輸出數(shù)據(jù)的最優(yōu)化［13］。

5.3 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)電路通過(guò)高精度的采集芯片和控制芯片完成了信號(hào)的采集處理，但是要完善監(jiān)測(cè)電路的整體功能，還需要一個(gè)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖9 為上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面。上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件主要有四個(gè)部分組成，分別為四個(gè)功能選項(xiàng)，分別是單元測(cè)試，數(shù)據(jù)分析，參數(shù)配置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)［14］。單元測(cè)試主要實(shí)現(xiàn)通路電流值和電壓值數(shù)值和波形的實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)分析可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放分析，更加精確地分析波形變化。參數(shù)配置界面，可以通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的電壓值和電流值設(shè)置預(yù)警值的方式來(lái)監(jiān)測(cè)供電電源狀態(tài)。當(dāng)電源信號(hào)出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，可以及時(shí)切斷電源，查找問(wèn)題，從而保證測(cè)試設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)［15］。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能可以實(shí)現(xiàn)采樣值的原始數(shù)字量的輸出，當(dāng)設(shè)備進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)時(shí)，可以在存儲(chǔ)文件存放的位置找到原始數(shù)據(jù)文件，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的回放和分析。

圖9 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)綜合測(cè)試設(shè)備電源輸出不穩(wěn)定的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一個(gè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供電電路的電壓和電流變化的電路。通過(guò)FPGA 的高精度處理芯片和高速數(shù)模轉(zhuǎn)化芯片AD7667的配合可以實(shí)現(xiàn)電路采樣信號(hào)的高精度采集。通過(guò)上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)供電電路電流信號(hào)和電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，通過(guò)上位機(jī)的波形顯示窗口，更能直觀地觀察供電通路的狀態(tài)變化，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度低，可靠性差等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于測(cè)試設(shè)備供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路配合測(cè)試臺(tái)可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)供電狀態(tài)，有較好的穩(wěn)定性和靠操作性，后續(xù)可以配合模擬開(kāi)關(guān)和FPGA通過(guò)分時(shí)切換實(shí)現(xiàn)多路電源信號(hào)的監(jiān)測(cè)，在工程上具有廣泛的推廣價(jià)值。