一種飛行器測控電源的實時監(jiān)測裝置設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：為了監(jiān)測大電流輸出的高精密飛行器測控電源設(shè)備的運行情況，設(shè)計了一種基于嵌入式計算機為核心的集成化監(jiān)測裝置，包括嵌入式PC104計算機、數(shù)據(jù)采集卡、輸入/輸出擴展板、電連接器以及軟件程序等， 實現(xiàn)了飛行器地面電源設(shè)備主要參量的實時在線測試與監(jiān)控，解決了原有檢測設(shè)備臺件多、自動化程度低的問題。試驗結(jié)果表明，該裝置能夠可靠測試與監(jiān)控地面測控電源系統(tǒng)的主要參量。

關(guān)鍵詞：電源設(shè)備； 監(jiān)測裝置； 故障報警； 實時在線監(jiān)控

中圖分類號： TN710?34； TP23 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0044?04

0 引 言

大電流輸出電源設(shè)備，如飛行器測控電源、激光器控制電源等，是控制系統(tǒng)的重要供電裝置之一，輸出有直流和交流電壓，電源設(shè)備在使用時，由于輸入電壓大范圍波動、輸入相序錯誤、電源設(shè)備內(nèi)部大功率器件燒蝕等因素，導致輸出電壓異常、接觸器失靈、負載能力降低等故障[1]。而現(xiàn)有的故障檢測設(shè)備均為單一參量的測試設(shè)備，檢測設(shè)備臺件數(shù)量多且均為人工手動測試[2?3]。基于上述原因，本文設(shè)計了一種基于嵌入式計算機的電源設(shè)備在線監(jiān)測裝置，實現(xiàn)主要參量的實時在線測試與監(jiān)控，能夠及時掌控大電流輸出元器件的工作狀況，對故障部件和系統(tǒng)進行實時故障報警，并實施應急處理等[4?9]。本裝置是一種智能化、集成化的電源監(jiān)控系統(tǒng)，通過在線測得的實際數(shù)據(jù)與預算值相比較，來達到過壓、欠壓、過流、相序錯誤、紋波超差等不同情況的故障報警，并且實時形成故障決策，以達到最短的時間內(nèi)對故障進行有效處置，減小不必要的損失。

1 設(shè)計方案

本文以某型特種大電流輸出直流電源設(shè)備為研究背景，該電源設(shè)備將三線380 V/50 Hz交流電，通過逆變器變換成自動穩(wěn)壓的直流電，輸出電壓25～55 V連續(xù)可調(diào)，輸出額定電流260 A。監(jiān)測系統(tǒng)主要由在線測試儀、若干轉(zhuǎn)接電纜及測試軟件等組成，系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖如圖1所示。

監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成[10]，硬件電路主要由在線測試儀和轉(zhuǎn)接電纜。轉(zhuǎn)接電纜根據(jù)控制儀器用電需求，轉(zhuǎn)接插頭座進行一對一的連接設(shè)計，用于設(shè)備之間的通訊等。在線測試儀由嵌入式計算機、各測量模塊及監(jiān)測模塊組成，其中以PC104為核心的嵌入式計算機，輔以相應的控制及驅(qū)動電路實現(xiàn)小型化、智能化、通用化設(shè)計。各測量模塊及監(jiān)測模塊作為測試儀的主要實現(xiàn)電路完成諸如三相交流監(jiān)測、直流電壓測試、非接觸電流測試、頻率測試、相序測試及紋波測試等功能。同時，選通控制電路、接口電路、調(diào)理電路等也包含于其中。作為整個系統(tǒng)的操作平臺，測試儀通過鍵盤、觸摸屏以及相關(guān)測試開關(guān)進行相應的操作，主要完成指令的收發(fā)、系統(tǒng)控制、測試結(jié)果的查詢以及打印輸出。軟件主要用于信號測試、處理、判別、記錄等。

2 電路設(shè)計

2.1 硬件電路選取

為了實現(xiàn)小型化、智能化設(shè)計，測試儀以PC104嵌入式計算機為核心。嵌入式PC104計算機選用PCM?3362N6S主板，該系統(tǒng)采用獨特的子層疊總線結(jié)構(gòu)，與PC機軟件、硬件完全兼容，因此可以利用現(xiàn)有的較豐富和成熟的軟件硬件開發(fā)、設(shè)計工具等資源。。

為了實現(xiàn)電源輸出多個參量的測量，就需要選擇數(shù)據(jù)采集板，選擇PCM?3718作為測試儀的數(shù)據(jù)采集板，其采樣速率可以達到100 kHz，數(shù)據(jù)的傳輸模式可以是中斷傳輸方式也可以采用DMA傳輸方式。DMA傳輸方式不通過CPU直接傳輸?shù)絻?nèi)存中，實現(xiàn)了較快的數(shù)據(jù)傳送，它具有16路單端或8路的差分模擬量輸入通道，具有16位A/D轉(zhuǎn)換器以及計數(shù)器/定時器功能。

實際設(shè)計中，I/O控制信號多，顯然僅僅依靠CPU板的I/O端口是不夠的，因此需要擴展I/O端口，系統(tǒng)選用PCM?3724的數(shù)字I/O板結(jié)合部分片選電路實現(xiàn)I/O端口擴展。

為了簡化操作難度，系統(tǒng)絕大部分操作都將通過觸摸屏實現(xiàn)。觸摸屏系統(tǒng)選用電阻式USB接口的觸摸屏，尺寸大小為12.1\"，能夠支持800×600全彩色顯示，支持多種接口顯示模式。

為了精確的測量直流電源的紋波，選用了ART8011的示波器卡，具有12位的采集精度和100 MHz的采集速度。

2.2 紋波監(jiān)測電路

紋波是疊加在直流信號上的交流干擾信號，是電源測試中的一個很重要的標準。尤其是作特殊用途的電源，紋波則是其致命要害之一。所以，電源紋波的監(jiān)測就顯得極為重要。在額定輸出電壓和負載電流下，輸出電壓的紋波（包括噪聲）的絕對值的大小，通常以峰?峰值或有效值表示。電壓信號測量法測量紋波是指用示波器。直接利用ART8011的示波器卡測量疊加在輸出直流電壓上的交流紋波電壓信號，整個測試的過程中，通過軟件控制，并實時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胗嬎銠C進行處理。

2.3 電壓監(jiān)測電路

電壓監(jiān)測電路采用并聯(lián)測壓法設(shè)計，將測試電路和負載并聯(lián)的方法來對地面電源輸出電壓進行測量，如圖2所示。

圖中U0為測試電源電壓；RS為電源內(nèi)阻；Rf為負載阻抗；Rc為測壓電路阻抗；I0為主回路電流；If為負載回路電流；Ic為測壓回路電流。其中Rc采用高阻抗，將測壓回路電流Ic限制為毫安級，而負載回路電流If為幾安至幾十安，因此該并聯(lián)測壓法對負載電路的影響很小。

2.4 電流監(jiān)測電路

非接觸測流法不同于傳統(tǒng)的交流非接觸式測流，直流非接觸式測流采用霍爾效應原理，直接檢測變壓器鐵心內(nèi)磁通強度，通過載流導體產(chǎn)生的磁場強度，在直流探頭內(nèi)一個半導體芯片上傳感產(chǎn)生渦流感應。這個微型半導體放在磁場（B）右角時，同時會產(chǎn)生一個電流（Id），在此半導體上會產(chǎn)生電壓（Vh），這個電壓稱為霍爾電壓，工作原理如圖3所示。

當連續(xù)產(chǎn)生霍爾驅(qū)動電流（Id）時，磁場（B）直接等比例在半導體上形成電流，這樣電流以霍爾輸出電壓（Vh）表示。首先，霍爾電壓不僅由反相磁場確定，而且由它的強度確定，這樣它就可以用于直流電流測量；其次當導體流過的電流改變時，磁場強度也隨之改變，并且這種變化為隨機動態(tài)反應，而且復雜的交流波形也可同時被捕獲和測量，并且具有較高的精度和較低的相位偏移。

非接觸式測流探頭基本結(jié)構(gòu)按圖4所示裝配，霍爾器件嵌入鐵芯用于將測量中的直流電流成份調(diào)理成直流電壓輸出。通過有針對性的調(diào)理電路設(shè)計，使得系統(tǒng)具有較好的線性輸出和溫度補償網(wǎng)絡，具有高精度線性輸出。霍爾效應電流傳感器CS300E的測量范圍可高達600 A電流。這種方法測量電流直觀簡便。

2.5 相序監(jiān)測和自動校正電路

高精密的特種直流大功率穩(wěn)壓電源對三相輸入工頻的相序有很高的要求，當三相輸入的相序因某種原因出現(xiàn)錯誤時，有可能導致控制系統(tǒng)儀器和測控設(shè)備的損壞，因此必須設(shè)計電路對相序進行檢測和校正。

在多相系統(tǒng)中，各相依其先后到達最大值（以正半波為準）的次序，按相排序，稱為相序。

在三相交流系統(tǒng)中，按規(guī)定用大寫英文字母“A”“B”“C” 來標記以區(qū)分三相；當三相交流電到達最大值（以正半波為準）的排列次序是A，B，C時，稱為正相序；如排列次序A，C，B，則稱為負相序。

設(shè)計基于雙極晶體管的相序檢測電路如圖5所示。圖中因三相電源的A相和B相分別接至a和b兩端時，晶體管BG截止，所以電壓繼電器KV不動作；當三相電源相序接反時，即三相電源的A相接至a端，而C相接至b端，此時晶體管BG導通，電壓繼電器KV吸合動作，給出開關(guān)量信號并輸入到嵌入式計算機進行處理。

下面設(shè)計基于雙極型晶體管的相序自動矯正電路。根據(jù)圖5所示的相序檢測器構(gòu)成的相序自動矯正電路如圖6所示。其工作原理是：首先合上刀開關(guān)QS，則控制變壓器T1的初級回路通電，它提供電控部分各交流接觸器線包工作所需電源，此時交流接觸器KM吸合，其主觸頭KM閉合，負載啟動運轉(zhuǎn)。當三相電源的A，B相分別接至相序指示器的a和b兩端、零線接至d端時，相序指示器中晶體管BG截止，所以電壓繼電器KV不動作，其常閉觸頭K1和K3閉合將負載電源接通，使其正常工作；當三相電源相序接反時，即三相電源的A相接至a端，而C相接至b端，此時晶體管BG導通，電壓繼電器KV吸合動作，其常閉觸頭K1和K3斷開，常開觸頭K2和K4閉合，使負載的三相電源相序保持不變。

3 軟件設(shè)計

測試軟件主要完成包括指令的發(fā)送、數(shù)據(jù)的采集、測試結(jié)果處理判別在內(nèi)的系統(tǒng)總體控制；完成電源設(shè)備主要參量的在線實時監(jiān)控；完成測試結(jié)果的分析判斷、顯示、打印；標示不合格的監(jiān)測結(jié)果，存儲在數(shù)據(jù)庫中，以供查詢等功能。出于人機交互界面考慮，選擇Windows 2000操作系統(tǒng)作為測試軟件開發(fā)環(huán)境，采用可視化編程技術(shù)，選用Delphi 7.0作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺。

在軟件編寫上主要采用模塊化設(shè)計思想，測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示，測試應用軟件由測試程序和數(shù)據(jù)庫文件構(gòu)成。

測試系統(tǒng)總體流程如圖8所示。

通過Delphi支持的數(shù)據(jù)庫ADO組件訪問本地的數(shù)據(jù)庫Access來實現(xiàn)測試結(jié)果的數(shù)字化管理，可以實現(xiàn)測試結(jié)果的查詢、綜合比較、判斷、處理等。

4 試驗驗證

將監(jiān)測裝置按照連接關(guān)系接入電源設(shè)備系統(tǒng)， 在常溫條件下按要求進行輸入缺相及相序、電源的紋波、輸出電流電壓等功能檢查。

首先進行了三相電的缺相和反相的檢查，并利用相序表進行對比測試，判斷結(jié)果如表1所示。

其次，對直流電源設(shè)備進行紋波測試，利用示波器（Tektronix TPS2012）進行對比測量。由于本系統(tǒng)采用高精度的示波器卡進行數(shù)據(jù)的采集，測試紋波的精度與示波器相比。紋波測試結(jié)果如表2所示。

再次，對電源設(shè)備輸出的電壓測試，并用安捷倫六位半數(shù)字萬用表（3440A）對比測量，然后把監(jiān)測裝置測試的值與數(shù)字萬用表測得值進行對比，測試結(jié)果如表3所示。

5 結(jié) 語

通過采用嵌入式技術(shù)，按照集成化、小型化、總線化、標準化和自動化的設(shè)計原則，設(shè)計的在線監(jiān)測裝置，對于大電流輸出電源設(shè)備，實現(xiàn)了的大范圍的電壓和電流的在線高精度監(jiān)測，實現(xiàn)了紋波、相序等的實時監(jiān)測。監(jiān)測裝置具有集成化程度高、抗干擾能力強、測量精度高、使用簡單方便等特點。充分利用了PC104嵌入計算機的特性，較好實現(xiàn)了實時在線監(jiān)測電源設(shè)備各參量的變化，解決了原檢測設(shè)備臺件多、自動化程度低等問題。通過采用高精度的信號轉(zhuǎn)換電路和軟件精確控制，電壓測量精度提高到3 mV，大電流測量精度提高到0.4 A。通過采用先進的示波器集成電路板，對輸入信號進行高精度、高頻率采集，并對采集的信號實行多線程并行處理，紋波測量精度提高到1 mV。同時還實現(xiàn)了電源故障分級預警、測試數(shù)據(jù)自動處理、測試結(jié)果智能管理和故障特征實時預報功能。

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