某測(cè)量系統(tǒng)直流變換器測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王海勇

(上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

某測(cè)量系統(tǒng)直流變換器的測(cè)試設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱測(cè)試臺(tái))用于直流變換器基本功能的測(cè)試，并配合完成系統(tǒng)的綜合測(cè)試。筆者在分析某測(cè)量系統(tǒng)直流變換器性能參數(shù)要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了8臺(tái)單機(jī)56路信號(hào)手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)試方案，并給出自動(dòng)測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)采集與處理算法。該測(cè)試臺(tái)可模擬上層換流器向8臺(tái)直流變換器輸出±15V和+5V供電電壓，模擬上層電池母線電壓和時(shí)序母線電壓送入直流變換器進(jìn)行隔離變換，并將變換前、后的電壓信號(hào)顯示在測(cè)試設(shè)備的面板上。

1 設(shè)計(jì)原理①

某測(cè)量系統(tǒng)直流變換器測(cè)試臺(tái)的組成如圖1所示，8臺(tái)單機(jī)的供電信號(hào)、母線電壓信號(hào)和時(shí)序指令信號(hào)都是由直流變換器測(cè)試臺(tái)控制輸出的，同時(shí)測(cè)試臺(tái)將送入單機(jī)的電壓、母線電壓和時(shí)序指令信號(hào)進(jìn)行了實(shí)時(shí)采樣顯示。系統(tǒng)上電之后，首先根據(jù)手動(dòng)/自動(dòng)選擇按鈕進(jìn)行相應(yīng)的工作，默認(rèn)為手動(dòng)操作。手動(dòng)測(cè)量操作由單機(jī)選擇按鈕和參數(shù)選擇按鈕配合進(jìn)行。由于系統(tǒng)要求考核工作壽命，故本設(shè)計(jì)測(cè)試臺(tái)上電后會(huì)同時(shí)給8臺(tái)單機(jī)送入供電信號(hào)、母線電壓和時(shí)序指令信號(hào)。這樣手動(dòng)測(cè)量并記錄時(shí)，只需通過單機(jī)選擇按鈕來選擇8臺(tái)單機(jī)中的一臺(tái)，選中某臺(tái)單機(jī)后再由參數(shù)選擇按鈕輪流選擇7個(gè)參數(shù)測(cè)量。

圖1 測(cè)試臺(tái)硬件組成框圖

如果手/自動(dòng)選擇按鈕選中自動(dòng)，直流變換器中的LPC2210 ARM7微處理器首先將系統(tǒng)初始化，并控制供電信號(hào)、母線電壓信號(hào)和時(shí)序指令信號(hào)的輸出。緊接著進(jìn)行單機(jī)1～8的供電電壓、母線電壓信號(hào)和時(shí)序指令信號(hào)的采集，在采集過程中將每臺(tái)單機(jī)的每個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)輪詢完8臺(tái)單機(jī)后，再將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器經(jīng)由串行口發(fā)送到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 硬件電路

考慮到電磁兼容性、系統(tǒng)抗干擾能力、安裝接線及故障排除等因素，系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，分為供電板、信號(hào)板和母板三大部分。母板實(shí)現(xiàn)與測(cè)試臺(tái)面板上的控制按鈕、數(shù)顯表、供電信號(hào)和單機(jī)返回信號(hào)之間的物理走線。供電板和信號(hào)板通過連接器插在母板上來實(shí)現(xiàn)供電信號(hào)、母線電壓和指令時(shí)序信號(hào)的接通、采樣和顯示功能。

測(cè)試臺(tái)的供電電壓選擇顯示電路如圖2所示，其中DG506ACK模擬開關(guān)的A0、A1、A2和A3手動(dòng)測(cè)試時(shí)，信號(hào)來自歐姆龍撥碼開關(guān)的8421BCD碼；自動(dòng)測(cè)試時(shí)信號(hào)來自LPC2210微處理器的I/O口。S2～S9分別接單機(jī)+15V供電信號(hào)，在+15V供電電壓端與P1_+15V～P8_+15V間串聯(lián)1Ω電阻R17～R24是為了測(cè)試每臺(tái)單機(jī)的供電電流。在R17～R24上并聯(lián)D2～D9是為了保護(hù)1Ω精密電阻，因?yàn)槊颗_(tái)單機(jī)的功耗電流都小于150mA，如果某臺(tái)單機(jī)因故障導(dǎo)致功耗電流突增并超過300mA，電流就會(huì)從二極管上流過，這樣就不會(huì)因?yàn)楸粶y(cè)產(chǎn)品故障而影響測(cè)試臺(tái)。

圖2 供電電壓選擇顯示電路

測(cè)試單機(jī)的供電電流時(shí)，采用兩片低噪聲高增益OP07運(yùn)算放大器搭建差分放大電路和同相比例放大電路求取當(dāng)前單機(jī)的供電電流。如圖3所示，U6實(shí)現(xiàn)了差分運(yùn)算，兩個(gè)輸入端電阻阻值相等，反饋電阻與同相輸入端接地電阻相同，如此可得計(jì)算式Vout=R46/R49(+15V-dianliu+)。根據(jù)此公式可知，Vout就等于降在1Ω精密電阻上的電壓，也即單機(jī)消耗的電流。由于功耗電流是毫安級(jí)的，直接送入數(shù)顯表顯然不行，故U5將其進(jìn)行同相比例放大10倍后送數(shù)顯表顯示。

自動(dòng)測(cè)試時(shí)，撥碼開關(guān)產(chǎn)生的8421碼由LPC2210微處理器的I/O產(chǎn)生，整個(gè)過程都由該處理器完成。返回參數(shù)信號(hào)采樣電路，該采樣電路選擇LPC2210內(nèi)置的10位A/D轉(zhuǎn)換器。由于返回的參數(shù)信號(hào)都在0～5V，并且系統(tǒng)要求的測(cè)試精度為0.01V，故采用10位A/D轉(zhuǎn)換器即可滿足測(cè)試要求。

圖3 電流顯示電路

3 軟件部分

測(cè)試臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)主要針對(duì)自動(dòng)測(cè)試，同樣采用模塊化設(shè)計(jì)，自動(dòng)測(cè)試軟件流程如圖4所示，首先進(jìn)行必要的初始化；接著判斷自動(dòng)選擇按鈕是否按下，若按下則進(jìn)一步判斷當(dāng)前單機(jī)選擇標(biāo)記是否已經(jīng)到8，若沒有則控制I/O發(fā)出8421BCD碼來選擇單機(jī)；選中單機(jī)后判斷采樣參數(shù)是否到7，若沒有則控制I/O發(fā)出參數(shù)選擇命令，進(jìn)行7個(gè)參數(shù)的輪詢采樣、處理與存儲(chǔ)，完成一臺(tái)單機(jī)7個(gè)參數(shù)的測(cè)量后返回到判斷單機(jī)處繼續(xù)執(zhí)行下一次操作。8臺(tái)單機(jī)全部測(cè)試結(jié)束后，將測(cè)量數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器經(jīng)由串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)上。

圖4 自動(dòng)測(cè)試軟件流程

筆者將所采集的返回參數(shù)信號(hào)進(jìn)一步細(xì)分，劃分為3個(gè)功能模塊：ADC數(shù)據(jù)采集模塊、Nand Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和UART串行通信模塊。此外還要注意采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)有8臺(tái)單機(jī)，并且每臺(tái)單機(jī)有7個(gè)參數(shù)，據(jù)此設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)在Nand Flash中的存儲(chǔ)格式為：數(shù)據(jù)頭、尾各14Byte，數(shù)據(jù)占4Byte。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式就可以定義為以下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

struct ADCVALUE

{

char head[14];

unsigned char adc_value[4];

char confirm[14];

}

另外，在數(shù)據(jù)采集部分為了準(zhǔn)確反映每臺(tái)單機(jī)的每個(gè)參數(shù)的測(cè)量值，數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計(jì)中需考慮抗干擾和抗毛刺功能，各種隨機(jī)干擾客觀存在，會(huì)發(fā)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字有不穩(wěn)定現(xiàn)象，顯然這樣的數(shù)據(jù)缺乏準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)對(duì)A/D采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)字濾波，采用抗毛刺和抗干擾能力都較強(qiáng)的去極值平均濾波算法，軟件算法流程如圖5所示，連續(xù)地對(duì)單機(jī)中的7個(gè)參數(shù)進(jìn)行10次采樣，將其累加求和，同時(shí)找出其中的最大值和最小值，再?gòu)睦奂雍椭袦p去最大值和最小值，將剩余的8次采樣值求平均，即可得到有效的采樣值。

圖5 數(shù)字濾波算法流程

上位機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)采用VC++6.0開發(fā)平臺(tái)。應(yīng)用MSComm控件，可以非常方便地創(chuàng)建串行通信應(yīng)用程序，具體步驟不再詳述。本系統(tǒng)還添加了Microsoft Excel功能，可以方便靈活地為一般用戶所使用，將串口接收到的數(shù)據(jù)添加至列表控件中后，設(shè)置一個(gè)按鈕，在按鈕響應(yīng)中，添加代碼，將數(shù)據(jù)保存為Excel格式，方便調(diào)試人員閱讀與分析。

4 結(jié)束語

將筆者設(shè)計(jì)的某測(cè)量系統(tǒng)直流變換器測(cè)試臺(tái)的軟、硬件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，結(jié)果表明：該測(cè)試臺(tái)能夠滿足某測(cè)量系統(tǒng)直流變換器的性能參數(shù)的各項(xiàng)要求，檢測(cè)結(jié)果和檢測(cè)精度均達(dá)到預(yù)期的要求，提高了相關(guān)參數(shù)的測(cè)試效率。