某設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李四明 林高源

摘要：介紹某設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的功能原理，并對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)思路作了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控電路;參數(shù)處理

1 引言

某設(shè)備采用大功率真空器件行波管，監(jiān)控系統(tǒng)的可靠設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。本監(jiān)控系統(tǒng)從提高可靠性的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要是硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、顯示設(shè)計(jì)等。本監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是完成本/遙控狀態(tài)下對(duì)設(shè)備開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)的控制、對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)并鎖定和處理、上報(bào)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)信息和故障信息。

2 工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)由電源組件、監(jiān)控電路、參數(shù)處理、顯示單元等組成。

電源組件為監(jiān)控電路和參數(shù)處理提供電源。

監(jiān)控電路完成對(duì)本地按鍵的采集，響應(yīng)“預(yù)熱”、“高壓”、“關(guān)高壓”、“關(guān)機(jī)”、“故障清除”按鍵命令;完成遙控開(kāi)/關(guān)機(jī)命令包括串口命令和脈沖命令及在線/離線監(jiān)控電路切換命令的采集、響應(yīng)，并把故障和狀態(tài)進(jìn)行串口上報(bào);監(jiān)控電路實(shí)行A、B路雙冗余功能，提高了系統(tǒng)的可靠性，監(jiān)控電路A和B的功能完全一致，可以互換，備份的監(jiān)控輸出為高阻態(tài)，通過(guò)設(shè)置電路里26ls31的控制端G和 來(lái)控制監(jiān)控的輸出，當(dāng)G為低電平并且 為高電平時(shí)，輸出為高阻態(tài);完成與水冷系統(tǒng)的串口通訊，檢測(cè)水冷系統(tǒng)內(nèi)的故障;產(chǎn)生設(shè)備的GATE觸發(fā)信號(hào)，供設(shè)備產(chǎn)生調(diào)制脈沖。

參數(shù)處理完成對(duì)行波管陰極電流和收集極電流參數(shù)的處理并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，對(duì)體電流故障進(jìn)行保護(hù);對(duì)功率值進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換處理，對(duì)功率低故障進(jìn)行保護(hù);對(duì)陰極高壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換處理;對(duì)燈絲電流進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換處理，對(duì)燈絲過(guò)流故障和燈絲欠流故障進(jìn)行保護(hù);對(duì)電源組件的故障進(jìn)行保護(hù);對(duì)高壓過(guò)壓、高壓欠壓、高壓過(guò)流進(jìn)行故障保護(hù);所有故障通過(guò)串口上報(bào)監(jiān)控電路;所有故障和狀態(tài)的并行數(shù)據(jù)送液晶顯示;將GATE觸發(fā)轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)給設(shè)備內(nèi)的調(diào)制器;根據(jù)預(yù)熱和高壓命令來(lái)控制燈絲、水冷及計(jì)時(shí)器工作。

顯示單元完成主要參數(shù)在液晶屏上的顯示。用戶可以通過(guò)參數(shù)了解設(shè)備的工作狀態(tài)，包括陰極高壓、陰極電流、收集極電流、發(fā)射功率、燈絲電流及行波管工作計(jì)時(shí)器等。

3主要硬件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控電路的硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控電路擔(dān)負(fù)著設(shè)備正常工作時(shí)狀態(tài)的指示、狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及發(fā)生故障時(shí)保護(hù)設(shè)備的功能，其可靠性、準(zhǔn)確性至關(guān)重要。監(jiān)控電路電路框圖如圖1所示。

按鍵：用于本控操作，通過(guò)cc14490芯片接收 “預(yù)熱”、“高壓”、“關(guān)高壓”、“關(guān)機(jī)”、“故障清除”、“切換”、“內(nèi)觸發(fā)/外觸發(fā)”按鍵。本控時(shí)，如果在線的監(jiān)控電路按下“切換”鍵，在線監(jiān)控電路把“在線切換開(kāi)關(guān)同步信號(hào)出”脈沖信號(hào)傳到另一個(gè)監(jiān)控電路作為“在線切換開(kāi)關(guān)同步信號(hào)入”信號(hào)，原離線監(jiān)控電路變?yōu)樵诰€，原在線監(jiān)控電路輸出高阻變成離線狀態(tài);整個(gè)離線/在線切換過(guò)程僅需一個(gè)時(shí)鐘周期，可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換;遙控時(shí)，當(dāng)信號(hào)處理發(fā)來(lái)主路在線命令時(shí)，如果此時(shí)主路在線，則不響應(yīng)命令;如果此時(shí)備路在線，則備路把“在線切換開(kāi)關(guān)同步信號(hào)出”傳到主路監(jiān)控電路作為“在線切換開(kāi)關(guān)同步信號(hào)入”信號(hào)，主路監(jiān)控電路收到此信號(hào)后變?yōu)樵诰€狀態(tài)，備路監(jiān)控電路變?yōu)殡x線狀態(tài); 整個(gè)離線/在線切換過(guò)程僅需一個(gè)時(shí)鐘周期，可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換;遙控時(shí)，當(dāng)信號(hào)處理發(fā)來(lái)備路在線命令時(shí)，如果此時(shí)備路在線，則不響應(yīng)命令;如果此時(shí)主路在線，則主路把“在線切換開(kāi)關(guān)同步信號(hào)出”傳到備路監(jiān)控電路作為“在線切換開(kāi)關(guān)同步信號(hào)入”信號(hào)，備路監(jiān)控電路收到此信號(hào)后變?yōu)樵诰€狀態(tài)，主路監(jiān)控電路變?yōu)殡x線狀態(tài); 整個(gè)離線/在線切換過(guò)程僅需一個(gè)時(shí)鐘周期，可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。內(nèi)觸發(fā)信號(hào)由監(jiān)控電路生成，外觸發(fā)信號(hào)由設(shè)備生成。

遙控復(fù)位/預(yù)熱命令：觸點(diǎn)信號(hào)，用74LV04進(jìn)行接收，觸點(diǎn)閉合時(shí)可復(fù)位或預(yù)熱。

與信號(hào)處理的串口：通過(guò)26ls32和電壓轉(zhuǎn)換芯片74LV164245接收信號(hào)處理的串口命令，有“預(yù)熱”、“高壓”、“關(guān)高壓”、“關(guān)機(jī)”、“故障清除”、“復(fù)位”命令，并通過(guò)26ls31上報(bào)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)和故障信息。

設(shè)備內(nèi)的故障：通過(guò)26ls32及隔離運(yùn)放芯片再經(jīng)過(guò)74LV04進(jìn)行接收采集設(shè)備內(nèi)的故障，包括電源組件、鈦泵電源、體電流等故障，這些故障點(diǎn)的設(shè)立可有效的保護(hù)各個(gè)整件，尤其是保障設(shè)備里行波管的正常運(yùn)行，并把故障定位在可更換單元。所有的故障可通過(guò)單片機(jī)的中斷口進(jìn)入程序，以便能在最短的時(shí)間內(nèi)作出響應(yīng)，根據(jù)故障及時(shí)自動(dòng)報(bào)警或斷高壓報(bào)警。

水冷系統(tǒng)故障：水冷系統(tǒng)用于冷卻設(shè)備內(nèi)的行波管，故障包括水泵過(guò)載、流量低、供液溫度高、供液壓力高、海水壓力低、水箱缺水、水箱水位低和水電導(dǎo)率高及海水流量低，通過(guò)422串口進(jìn)行故障通訊。

預(yù)熱命令和高壓命令輸出：通過(guò)26LS31芯片進(jìn)行422差分信號(hào)輸出，可控制燈絲的預(yù)熱及設(shè)備的高壓開(kāi)啟。

3.2 參數(shù)處理的硬件設(shè)計(jì)

參數(shù)處理完成設(shè)備所有參數(shù)的整理，并對(duì)部分故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將故障信息和狀態(tài)信息進(jìn)行液晶顯示，產(chǎn)生最終的預(yù)熱命令和高壓命令。

通過(guò)26LS32芯片接收監(jiān)控過(guò)來(lái)的RS422差分串口等信號(hào);通過(guò)隔離運(yùn)放接收電流、功率等參數(shù)信息，這些參數(shù)信息通過(guò)AD7890芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。AD7890為8路模擬量輸入，串行輸出的AD轉(zhuǎn)換芯片，輸入范圍廣，可到10V，滿足設(shè)備數(shù)據(jù)輸入的要求;通過(guò)74LV04接收逆變控制等故障信息;通過(guò)26LS32芯片接收監(jiān)控電路過(guò)來(lái)的預(yù)熱、高壓422差分命令并通過(guò)繼電器轉(zhuǎn)換成直流24V輸出;通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片74LV164245輸出液晶顯示信號(hào)。

3.3 顯示單元的硬件設(shè)計(jì)

顯示單元主要器件是液晶屏，液晶顯示屏主要顯示設(shè)備的陰極高壓、陰極電流、收集極電流、發(fā)射功率、燈絲電流等測(cè)量值及設(shè)備工作狀態(tài)以及具體故障。液晶屏型號(hào)為320240L-A3，可顯示漢字20行，每行15字。

4 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要完成設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)控制、故障檢測(cè)、故障保護(hù)、狀態(tài)上報(bào)、狀態(tài)液晶顯示等功能。開(kāi)發(fā)軟件采用Keil uVision4、ISE14.6，采用C語(yǔ)言和Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)。

4.1監(jiān)控電路軟件設(shè)計(jì)

a.主程序：監(jiān)控電路軟件是軟件的核心部分，完成如下功能：

1）對(duì)設(shè)備的開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)順序進(jìn)行程序化控制;

2）對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，對(duì)故障進(jìn)行分類、判別鎖定和執(zhí)行處理;

3）上報(bào)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)信息;

4）接收并執(zhí)行設(shè)備對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的遙控命令。

我們規(guī)定設(shè)備的工作狀態(tài)有四種，當(dāng)設(shè)備剛通電時(shí)為低壓狀態(tài)，預(yù)熱后為預(yù)熱狀態(tài)，預(yù)熱完規(guī)定的時(shí)間后為待機(jī)狀態(tài)，開(kāi)高壓后為高壓狀態(tài)。設(shè)定主程序循環(huán)1圈所需的時(shí)間為0.5s，這樣通過(guò)計(jì)數(shù)可對(duì)預(yù)熱時(shí)間進(jìn)行控制。

b.水冷串口通訊程序：水冷系統(tǒng)與監(jiān)控采用RS-422半雙工串口通信。監(jiān)控軟件在FPGA里定時(shí)（1s）接收水冷信息。如果監(jiān)控軟件連續(xù)3次接收到水冷信息有故障，則認(rèn)為水冷有真故障。

c.與設(shè)備終端的串口通訊程序：采用RS-422半雙工串口通信。監(jiān)控軟件在單片機(jī)的串口中斷里接收設(shè)備終端送來(lái)的開(kāi)關(guān)機(jī)命令，判斷命令內(nèi)容并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

4.2 參數(shù)處理軟件設(shè)計(jì)

參數(shù)處理軟件完成如下軟件設(shè)計(jì)：

a.在單片機(jī)程序里對(duì)陰極電流、收集極電流、燈絲電流、發(fā)射功率、陰極高壓的0V～10V電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并對(duì)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理;

b.根據(jù)串口報(bào)文對(duì)設(shè)備的故障和狀態(tài)信息進(jìn)行液晶顯示。

5結(jié)束語(yǔ)

綜合以上的硬件和軟件的設(shè)計(jì)，以及投產(chǎn)后調(diào)試運(yùn)行的情況來(lái)看，該監(jiān)控系統(tǒng)可靠性高、抗干擾性強(qiáng)，控制簡(jiǎn)單，合理，工作穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]張培仁，孫力. ?基于C語(yǔ)言C8051F系列微控制器原理與應(yīng)用 .清華大學(xué)出版社，2007

[2]蔡述庭，陳平，李嘉輝. ?FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，2019