某型機動保障方艙電源系統檢測裝置的設計與實現

姜應戰 劉金輝 姜海龍 李嘉

（海軍潛艇學院專業士官與技術兵培訓系，山東青島 266042）

1 引言

某型機動保障方艙在搶險救災中起著重要作用，整個系統一般由工作電源機柜、設備調試檢測機柜、顯控臺等組成，其中電源機柜是整個保障方艙的“心臟”，其技術狀態的好壞將直接影響目標設備能否正常工作，影響整個保障方艙任務的順利執行。為保證機動保障方艙的良好狀態，必需對方艙內電源機柜各路輸出指標進行定期檢測。

目前，機動保障方艙電源柜各路輸出指標的檢驗只有接上目標設備之后才能進行，也就是要接實際負載。為解決離線檢測方艙電源的問題，研制了某型機動保障方艙電源檢測裝置，該機動保障方艙電源機柜包括二十幾組工作電源，利用該裝置可對整個電源設備的空載輸出電壓、額定負載下的輸出電壓及電流、紋波系數和負載效應等靜態參數和動態參數進行快速、自動、高精度檢測，以確定各供電電源是否滿足技術要求。

2 檢測裝置的硬件組成

檢測裝置的總體布局和系統組成如圖 1所示。檢測裝置由控制主機、檢測系統和離線工作的PC機組成。

控制主機、檢測系統采用嵌入式微控制器為控制核心。采用嵌入式微控制器而不采用計算機的目的是為了減小檢測裝置的體積，便于移動式檢測，同時也免于系統維護，杜絕病毒侵蝕。但裝置仍可離線通過USB接口將檢測結果送至PC機進行存儲、建立數據庫，以進行歷史查詢和數據處理等。

2.1 控制主機

控制主機用微控制器采用 Silicon Laboratories公司的 C8051F340嵌入式微控制器[1]。C8051Fxxx系列微控制器是完全集成的混合信號系統級芯片，具有與8051兼容的微控制器內核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標準8051的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其它數字外設及功能部件。

C8051F340具有40個I/O口線，所有口線均耐5 V電壓，4個通用16位計數器/定時器，兩個串行口，內部高精度振蕩器。

圖1 系統硬件組成

系統中C8051F340端口的配置包括I2C端口的配置、串行口的配置、鍵盤控制口的分配、液晶顯示器和微型打印機數據端控制端的分配。

C8051F340的USB接口用于與PC通信，將檢測數據存于數據庫，一個串行口通過485接口控制檢測系統對電源的指標進行檢測，同時將檢測結果在LCD中顯示、存儲及打印等。

2.2 電源檢測系統

電源檢測系統主要包含模擬負載、信號調理電路、微控制器和繼電器電路以及電源保護等電路。模擬負載采用大功率線繞電阻，通過測量電源空載和負載特性，來計算穩壓電源的各項指標。負載電阻的大小可根據電源的額定指標確定，相近額定值的電源可采用同一傳感器，并可通過控制電路將負載串并聯后，作為其他電源負載，這樣可以減少負載電阻的數量，從而減少整個系統的體積。電壓電流信號來自信號調理電路，這就要求信號調理電路有較高的測量精度、較好的線性度和較快的反應速度，而且應與被測電源隔離。

2.2.1 檢測系統用微控制器

檢測系統用微控制器為 Silicon Laboratories公司的C8051F350嵌入式微處理器[1]。C8051F340微控制器具有24位A/D轉換器及8路模擬輸入多路選擇器，可配置為差動輸入，以提高抗干擾能力和轉換精度[2]；具有17個數字I/O口，均可耐5 V電壓；4個通用16位計數器/定時器；全雙工異步通信口；內部精度高振蕩器。

24位 A/D轉換器及模擬輸入多路選擇器用于檢測電壓、電流及紋波電壓。電源柜電源在嵌入式微控制器控制下通過輸出繼電器逐個送到相應電壓變送器、電流變送器和負載，其電壓、電流和紋波經變送器或變換電路后進行A/D轉換，變換為微控制器能夠測量、計算和分析的數字量。微控制器通過軟件計算出電源柜各電源的各項指標。

2.2.2 輸入接口與變量程測量

輸入接口與變量程測量電路如圖2所示。系統控制輸入繼電器分時將21路電源送電壓、電流變送器和紋波測量電路。

輸入繼電器由單片機口線通過移位寄存器和驅動電路控制相應繼電器動作。

電源的模擬負載采用大功率線繞電阻，同時通過繼電器控制實現電阻的串并聯，這樣不僅使所有被測電源能夠帶上額定負載，而且還可以減少電阻的數量。

2.2.3 電流電壓測量

電流電壓的測量采用霍爾傳感器以實現被測電壓、電流與檢測系統的隔離。隔離的目的是保證被測電壓不被校驗計量系統影響及實現無測量插入損耗[3]。

開關電源輸入頻率和開關轉換頻率引入的紋波噪聲，會造成電壓和電流幅值測量誤差，為降低該誤差主要采取以下措施。

（1）被測信號采用差動傳輸方式，微控制器A/D輸入也配置為差動輸入。

圖2 輸入接口與變量程測量電路

（2）對電流信號和電壓信號連續采樣4個工頻周期共40個瞬時值，然后取平均值，作為被測電壓幅值和被測電流幅值，以消除工頻干擾。

電壓調整率則根據空載電壓和額定負載電壓進行計算。

圖3 紋波測量電路

2.2.4 紋波測量

紋波測量是通過峰值檢測電路測量紋波的峰值，然后計算紋波的峰值[4]。峰值檢測電路由采樣保持器LF398、高速比較器AD790及運放測量放大電路構成，LF398的輸出電壓與輸入電壓通過比較器進行比較，當輸入電壓高于輸出電壓時，LF398的邏輯控制端被置為高電平，使LF398處于采樣狀態；當輸入電壓達到峰值而下降時，LF398的邏輯控制端被置為低電平，使LF398處于保持狀態，從而實現了對峰值的保持。每次峰值測量結束后，通過對保持電容放電，可以使LF398保持的峰值復位。如圖3所示。

3 軟件設計

3.1 檢測裝置軟件設計

檢測裝置的運行由微控制器程序控制實施，微控制器程序包括主機控制程序和檢測系統程序。程序流程如圖4和圖5所示。

圖4 控制主機程序流程

3.2 PC軟件設計

基于VB平臺設計PC軟件，可將校驗計量系統測量及計算結果存儲和瀏覽。

4 試驗結果

對裝置進行某方艙電源機柜測試，并與儀表測量進行對比，測量結果如表1所示。測量誤差小于2%，符合設計要求。

圖5 檢測程序流程

表1 測試結果

[1] 潘琢金譯. C8051F340、C8051F350混合信號 ISP FLASH微控制器數據手冊. Rev1.0 2005.07 www.xhl.com.cn

[2] 何小艇. 電子系統設計. 杭州: 浙江大學出版社,1998.

[3] 王祖強, 葛敏, 王照君. 智能電量測量系統的設計.電子工藝技術, 2002, 23(6), 263-265

[4] 張乃國, 廉有林. 實用電子測量技術. 北京: 電子工業出版社, 1998.