在國(guó)防裝備中高炮等重型武器的電源要依靠發(fā)電機(jī)組供電,而發(fā)電機(jī)組能否穩(wěn)定正常運(yùn)行關(guān)系到武器裝備能否正常、可靠地工作。因此必須對(duì)這些武器裝備的發(fā)電機(jī)組定期進(jìn)行全面檢修，但由于裝備數(shù)量龐大，使得檢修的工作量也非常大。本文設(shè)計(jì)的電站運(yùn)行參數(shù)記錄儀很好地解決了檢修工作量大、設(shè)備故障隱患難以排除的問題。記錄儀在電站運(yùn)行時(shí)開始記錄柴油機(jī)的油壓、水溫、蓄電池電壓，發(fā)電機(jī)的電壓、電流、功率及系統(tǒng)的頻率等參數(shù)。這些參數(shù)每隔一段時(shí)間記錄到SD卡中一次。記錄儀在記錄運(yùn)行參數(shù)的同時(shí)還記錄開、關(guān)機(jī)時(shí)間、電站總運(yùn)行時(shí)間。實(shí)現(xiàn)了電站運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量與記錄，減少了電站檢修的工作量，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電站運(yùn)行時(shí)的故障隱患，保障了電站平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本設(shè)計(jì)方案主要由信號(hào)采集、電源、微控制器及FAT32文件系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。將采集到的電站運(yùn)行參數(shù)等信息經(jīng)過RS485接口傳送到主控電路，微控制器對(duì)該信息進(jìn)行分析、匯總，以TXT文本的格式記錄到外部的存儲(chǔ)卡或者U盤中，通過USB數(shù)據(jù)線上傳到計(jì)算機(jī)，為設(shè)備的檢修提供依據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)的電源采用內(nèi)部充電電池，使用發(fā)動(dòng)機(jī)蓄電池給內(nèi)部電池充電。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1信號(hào)采集硬件電路
    油壓、水溫、發(fā)電機(jī)電壓、發(fā)電機(jī)電流、發(fā)電機(jī)功率、系統(tǒng)頻率等信號(hào)的采集主要由EP、TP表完成，經(jīng)過采集后的信號(hào)存儲(chǔ)到EP、TP表內(nèi)部的寄存器中，單片機(jī)通過RS485總線[1]與EP、TP表通信并從其寄存器中獲取上述參數(shù)。由于C8051F020單片機(jī)內(nèi)部沒有集成RS485通信口，只有UART串口，因此使用75176芯片進(jìn)行RS485與UART的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

    柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和蓄電池電壓的采集是直接由單片機(jī)完成的。圖1中TLP521部分為轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路，電站上柴油機(jī)的轉(zhuǎn)輪有許多均勻的鋸齒，利用磁電式齒輪傳感器，能檢測(cè)到每秒鐘經(jīng)過傳感器的鋸齒個(gè)數(shù)，其輸出為正弦信號(hào)。再根據(jù)每轉(zhuǎn)上的鋸齒個(gè)數(shù)便能得到柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。由光電耦合器將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)送給單片機(jī)系統(tǒng)。圖中二極管D1為轉(zhuǎn)速信號(hào)的負(fù)半周提供回路。C5和R11構(gòu)成一個(gè)高通濾波器，濾除轉(zhuǎn)速信號(hào)中的低頻成分，避免其對(duì)三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)產(chǎn)生影響。轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)從網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為INT1端輸出到單片機(jī)的外部中斷引腳,當(dāng)有轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)，INT1端為高電平，否則為低電平。INT1上的下降沿觸發(fā)一次中斷，單片機(jī)則停止記錄信息，將系統(tǒng)切換到低功耗模式。圖3為蓄電池電壓采集電路，+12 V蓄電池電壓經(jīng)過電阻分壓后送給單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換輸入端。圖中的104電容可以濾除電壓信號(hào)上的尖峰干擾信號(hào)。

2.2 控制部分硬件電路設(shè)計(jì)
     本文采用C8051F020作為系統(tǒng)主控制器。C8051F020單片機(jī)是一款完全兼容51架構(gòu)的混合信號(hào)片上系統(tǒng)級(jí)芯片，其內(nèi)部集成了I2C、SPI、UART串口、12位A/D轉(zhuǎn)換器、PCA可編程計(jì)數(shù)陣列、4個(gè)可位尋址的I/O口、4個(gè)字節(jié)尋址的I/O口以及25 MPIS的最高速度。另外，C8051F020單片機(jī)提供了一個(gè)增強(qiáng)的定時(shí)器功能，可編程計(jì)數(shù)陣列（PCA）。PCA在頻率產(chǎn)生、頻率測(cè)量及脈寬測(cè)量等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[2]，可使C8051F020完全能勝任數(shù)據(jù)采集及FAT32文件系統(tǒng)操作。單片機(jī)外圍基本電路中的12腳VREF引腳為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓輸出,基準(zhǔn)電壓為2.4 V，該電壓經(jīng)電容濾波后作為內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓輸入到引腳VREF0。22~25腳為12位A/D轉(zhuǎn)換的輸入引腳，分別連接4個(gè)二極管起到保護(hù)ADC轉(zhuǎn)換器的作用。當(dāng)待轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)高于3.3 V時(shí),該信號(hào)經(jīng)二極管回流到模擬3.3 V電源,避免轉(zhuǎn)換器由于高輸入電壓而損壞。28腳MONEN引腳接入電源VDD，使能內(nèi)部電壓監(jiān)測(cè)器。設(shè)計(jì)按鍵S1為系統(tǒng)校時(shí)按鍵,當(dāng)按下按鍵時(shí)，系統(tǒng)時(shí)間將自動(dòng)調(diào)整到當(dāng)天的上午八點(diǎn)。
2.3 FAT32文件系統(tǒng)部分硬件電路設(shè)計(jì)[3]
    FAT32文件系統(tǒng)采用南京沁恒公司推出的文件系統(tǒng)芯片CH376S。CH376S既支持SD卡的文件系統(tǒng)操作，又支持U盤的文件系統(tǒng)操作，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)SD卡存儲(chǔ)和U盤存儲(chǔ)間的轉(zhuǎn)換。CH376S 的SD卡電路如圖4所示。單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)通過CH376S寫入到SD卡中長(zhǎng)久保存。SD卡的數(shù)據(jù)由USB數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，此時(shí)只需加一片AU6331即可實(shí)現(xiàn)，而不需要經(jīng)過單片機(jī)芯片。AU6331是一片專用的讀卡器芯片，支持SD卡、MMC卡等[4]。此外讀卡器和CH376之間的轉(zhuǎn)換采用2片多路轉(zhuǎn)換開關(guān)芯片MAX4674。MAX4674內(nèi)部有4個(gè)二選一開關(guān)，專門用于信號(hào)切換。在3 V供電時(shí)期導(dǎo)通電阻為6 ?贅，不影響信號(hào)的傳輸。CH376S采用8位并口AD0-AD7與單片機(jī)進(jìn)行通信。PCS引腳為片選引腳，低電平有效。INT引腳為CH376的中斷請(qǐng)求引腳，低電平有效。當(dāng)INT引腳為低電平時(shí)，單片機(jī)可以讀取CH376的狀態(tài)碼。A0端為地址數(shù)據(jù)選擇端,用于告知CH376要進(jìn)行數(shù)據(jù)操作或是指令操作[5]。

    CH376S的U盤操作接線圖與SD卡的接線圖大致相同，只是將SD卡座換成了U盤插口。但是SD卡只可以進(jìn)行字節(jié)讀取，而U盤既可以進(jìn)行字節(jié)讀取，又可以進(jìn)行扇區(qū)讀取。因此，對(duì)U盤的讀寫速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于SD卡的讀寫。
2.4 電源部分硬件電路設(shè)計(jì)
    由于系統(tǒng)需要3.3 V和5 V兩種電壓，而外部蓄電池電壓為12 V，因此在電源的前級(jí)采用LM2575電源芯片產(chǎn)生5 V電壓。這是一款降壓型開關(guān)電源芯片，其輸入電壓范圍很寬,在穩(wěn)定5 V輸出時(shí),其輸入范圍為 8 V~55 V，因此可以將12 V的蓄電池電壓穩(wěn)定到5 V。此外在外部蓄電池電壓為24 V時(shí)，LM2575仍能穩(wěn)定輸出5 V，提高了系統(tǒng)的兼容性。另外,采用凌特公司生產(chǎn)的LTC3440電源芯片可產(chǎn)生3.3 V電壓,為單片機(jī)供電以及在外部蓄電池移除或蓄電池電壓不足時(shí)為USB主口供電。
3 系統(tǒng)程序流程圖
    整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括CH376S文件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和EP、TP表讀取程序設(shè)計(jì)[6]。記錄儀開始運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行EP、TP表的掃描，確定設(shè)備地址和波特率。再測(cè)量是否有轉(zhuǎn)速信號(hào)，若沒有，單片機(jī)則直接進(jìn)入休眠模式,否則采集轉(zhuǎn)速信息和蓄電池的電壓值， 存儲(chǔ)到SD卡中。 5 min后，單片機(jī)開始第二次信息采集。在此期間，單片機(jī)通過PCA捕捉中斷采樣是否有 U盤和USB數(shù)據(jù)線插入，從而控制多路開關(guān)進(jìn)行SD卡的切換。程序流程如圖5所示。

4 測(cè)試結(jié)果
    應(yīng)用本記錄儀對(duì)某電站的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以TXT文件的格式傳送到上位機(jī)或SD卡中，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。
    為了更直觀地說明電站運(yùn)行過程中的異常情況，本記錄儀還可以根據(jù)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)每?jī)蓚€(gè)小時(shí)做一次電站狀態(tài)信息的總結(jié)，對(duì)應(yīng)生成的總結(jié)文件如表2所示。總結(jié)文件中有開機(jī)、關(guān)機(jī)時(shí)間，其中0表示正常，1表示異常。

    本設(shè)計(jì)將電站運(yùn)行信息以TXT文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)，降低了檢修工作量,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備檢修的智能化。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,本記錄儀工作正常，參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確，在電站的運(yùn)行維護(hù)方面具有很高的實(shí)用價(jià)值。另外，本設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性強(qiáng)，在此設(shè)備FAT32文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)即可成為一款記錄其他信息的記錄儀。
參考文獻(xiàn)
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[4] Alcor Micro Corp. AU6331 USB2.0 SD/MMC/MS Single/dual LUN card reader controller technical reference manual  [EB/OL].(2006-08)/[2012-07-22].http://www.soiseek.cn.
[5] 閻昭,劉淑霞,趙曉順,等. 基于USB接口的光照度記錄儀的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010(6):25-27.
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