基于FPGA及ARM的老化試驗智能測控裝置

劉洪平LIU Hong-ping；胡云梅HU Yun-mei；奎曉燕KUI Xiao-yan；保麗江BAO Li-jiang

（云南昆船電子設備有限公司，昆明 650032）

0 引言

隨著科學技術的發展，人們對智能化的程度要求也越來越高，智能控制系統集成化、數字化、信息化[1]，如自動駕駛、遠程控制、人工智能等技術[2]，智能化的出現讓人們更切身地體會到了科學技術給日常生活所帶來的便捷[3]。

目前的老化試驗，存在局限性，一機專用、單臺設備能夠監測的組件及單板數量有限、間歇式測量、手動操作及記錄、操作人員勞動強度大等問題。這種老化方式生產效率低、人力成本高、硬件成本高、差錯率高。本次研究的基于FPGA及ARM的老化試驗智能測控裝置，可自動采集電流、電壓、交流信號、相位等參數，滿足常規老化產品采集的功能，該裝置老化過程中自動記錄老化數據；數據異常有聲光報警提示功能；老化過程有語音播報老化工作狀態；老化結束自動斷電功能，避免人員疏忽忘斷電，讓產品過老化。

1 系統結構

系統主要由3大部分組成，如圖1所示：老化試驗智能測控裝置上位監測系統、老化試驗智能測控裝置控制板卡、老化試驗智能測控裝置采集板卡等組成。老化試驗智能測控裝置輔助部分主要包括繼電器、聲光報警器、語音播報模塊、電扇等。虛線框內的設備為采集對象。圖2為老化試驗智能測控裝置實物圖。該裝置中的采集板卡，擔負著對老化對象進行數據采集；控制板卡是大腦，對采集的數據進行決策，并根據預設定的閥值，進行判斷，執行相關任務；上位監測系統，擔負控制整個系統的工作時序及顯示數據。裝置一旦工作無需人工干預，按照預設定的時序進行工作休息，自動記錄數據。

圖1 老化試驗智能測控裝置系統組成

圖2 老化試驗智能測控裝置實物圖

系統上電，老化試驗智能測控裝置工作，老化試驗控制板卡獲取并判斷采集板卡采集到的電流、電壓及信號的數據，一旦有不滿足技術條件的參數，會記錄該參數，并記錄該參數發生的時間，發出聲光報警，提示老化人員，提g發現老化產品故障，當老化產品工作異常之后，老化試驗控制板卡控制繼電器將設備電源斷開，起到保護老化產品的目的，產品老化結束后，控制板卡通過控制固態繼電器，將產品的電源斷開，以防老化人員疏忽，忘記關斷老化產品電源，老化試驗過程中，有語音播報提示。

2 老化試驗智能測控裝置硬件設計

采集板卡采用嵌入式ARM（STM32F4）進行設計，通過擴展電流取樣、AD采集、比較器、外部通訊等功能，實現電壓、電流、頻率、相位的采集和數據上傳，可以將采集板卡劃分為：電流高邊檢測單元、AD采集單元、模擬信號調理單元、通訊單元等組成。原理框圖如圖3所示，采集板卡實物圖如圖8所示。

圖3 采集板卡原理框圖

電流高邊檢測單元主要功能是實現電流的檢測，電流高邊檢測單元選用專用的電流高邊檢測MAX4080TASA進行電流檢測，主要原理是電流信號流過電流高邊檢測IC配置的外部取樣電阻，在取樣電阻上形成了電壓降，該電壓降經過電流高邊檢測IC的放大處理后輸出電壓信號，送入AD7606采集單元進行電壓采集，原理圖如圖4所示。

圖4 電流檢測原理圖

AD采集單元主要選用8通道16-bit模擬/數字轉換模塊AD7606實現電壓采集；MCU采用串行SPI的方式進行AD數據讀取，原理圖如圖5所示。AD特性：①8通道同步采樣輸入；②16-bit、200KSPS ADC（所有通道）；③靈活的并行/串行接口（SPI/QSPI）。

圖5 AD檢測原理圖

信號調理單元主要功能是實現將高壓信號轉換為AD采集單元采集量程范圍內的電壓值，交流高電壓衰減到AD采集單元10V信號量程，最終電壓信號通過數據采集板卡完成采集，交流信號檢測原理圖如圖6所示。

圖6 交流信號檢測原理圖

比較器電路采用TI公司的TLV350X軌到軌高速比較器實現，該器件僅有納秒級的延時，可以將通道的模擬信號完整地轉換成數字信號，送入MCU進行頻率和相位計算。相位采集主要利用整形之后的數字方波信號計算其兩個通道之間的時間差，根據時間差來計算相位差，主要流程圖如圖7所示。

圖7 交流信號相位差計算框圖

控制板卡主要由電源、微控制器、通訊協議模塊，繼電器、電連接器（RC-6032-C064FS-3C1）等組成，如圖9所示。

圖9 控制板卡系統框圖

控制板卡的微控制器采用FPGA（EP4CE6E22C8N），它的主要作用是接收上位監測軟件的控制指令，根據接收到的控制指令去控制（RS485、TCP/UDP）通訊協議模塊與被試產品及采集板卡進行數據交互，控制板卡與采集板卡通訊采用RS485通訊、與被試產品采用UDP通訊、與上位監測系統采用TCP通訊。

當數據異常時，控制板卡控制1路繼電器打開聲光報警器進行報警，當被試產品電流電壓異常時控制2路固態繼電器斷開被試產品的電源，起到保護被試產品的目的，控制板卡如圖10所示。

3 系統調試

系統工作時采集的數據與標準示波器、電壓、電流表采集數據的對比，電壓、電流、1路峰值電壓、2路峰值電壓、2路信號相位差各采集10組數據求10組數據的平均值。從測量數據上對比，如圖11所示，誤差滿足標準儀器儀表設計允許誤差范圍，滿足使用要求。

圖11 標準儀器測量與老化試驗智能測控裝置測量數據對比

4 結論

基于FPGA及ARM的老化試驗智能測控裝置經測試，試驗證明該裝置軟硬件功能可靠，測量準確、響應及時，該裝置可同時老化兩套組件，它具有如下優點：①聲光報警功能；②語音播報功能；③產品異常或是到時自動斷電功能；④實時數據采集、監測、自動記錄數據生成報表等功能。老化試驗智能測控裝置小型化、集成度高、操作簡單、智能化強、通用性強、價格較低、運用領域廣，企業可在此平臺上擴展運用。智能已成為新一輪產業變革的核心驅動力，對世界經濟、社會進步及人類生活具有極其深刻的影響，老化試驗智能測控裝置后期可運用如：農業溫室大棚監測、工業流水線控制、工業機器設備監測等領域。