故障監(jiān)測(cè)系繞的方案設(shè)計(jì)

　　對(duì)于測(cè)試設(shè)各和某控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)，它們之間由電纜相連，測(cè)試設(shè)備" title="測(cè)試設(shè)備">測(cè)試設(shè)備向控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)、發(fā)送數(shù)據(jù)及接收控制系統(tǒng)返回的狀態(tài)信號(hào)均通過(guò)電纜傳輸，因此，綜合測(cè)試設(shè)各和控制系統(tǒng)在各測(cè)試步驟中的工作狀態(tài)均在這些電纜中有所反映。為此，本文提出了如圖1所示的總體設(shè)計(jì)方案。

圖1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　在設(shè)備連接關(guān)系上，故障監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接箱與控制系統(tǒng)以及綜合測(cè)試設(shè)備相連，當(dāng)測(cè)試設(shè)備對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合測(cè)試時(shí)，信號(hào)轉(zhuǎn)接箱將控制系統(tǒng)及其綜合測(cè)試設(shè)備所產(chǎn)生的各種信號(hào)轉(zhuǎn)接后送至信號(hào)調(diào)理單元，由信號(hào)調(diào)理單元完成對(duì)信號(hào)的濾波、限幅、整形、放大、隔離等處理。同時(shí)，PC104計(jì)算機(jī)通過(guò)PC總線向數(shù)據(jù)采集板發(fā)出控制指令，控制相應(yīng)的繼電器組和模擬開(kāi)關(guān)工作，接通需要采集的信號(hào)通道，通過(guò)A／D接口板" title="接口板">接口板和I／O接口板對(duì)被測(cè)設(shè)備的電壓量、頻率量、丹關(guān)量和時(shí)間量進(jìn)行采集，并將采集到的信號(hào)進(jìn)行分析、判斷和顯示。

　　針對(duì)測(cè)試設(shè)備監(jiān)測(cè)信號(hào)具有種類多、數(shù)量大的特殊性，結(jié)合基于PC104總線的嵌入式CPU主板和數(shù)據(jù)采集板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)采用技術(shù)成熟的PC104總線CPU模塊PCM3350、I/O接口板ONYX．MM－XT和A/D" title="A/D">A/D接口板DIAMOND－MM－AT作為拜發(fā)平臺(tái)，外加上自行開(kāi)發(fā)的外圍信號(hào)調(diào)理電路和接口模塊，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了故障監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)所要求的功能。

　　開(kāi)關(guān)量測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)需要采集的開(kāi)關(guān)信號(hào)有50路，其平時(shí)狀態(tài)為低電平（幅值為0V），工作時(shí)為高電平" title="高電平">高電平。其中有19路信號(hào)的高電平狀態(tài)為15V，31路信號(hào)的高電平狀態(tài)為5V。

　　隔離電路的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的隔離測(cè)試和電平轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)光電隔離芯片TLP521-4L來(lái)完成的?？紤]到引人的數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力有限，為了減少監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)對(duì)綜合測(cè)試設(shè)備工作的影響，增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行光電隔離前需將待測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入到八輸入/輸出反相驅(qū)動(dòng)器ULN2803A中， 以保證TLP52l－4L能穩(wěn)定可靠地工作。設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)信號(hào)光電隔離電路如圖2示。

圖2開(kāi)關(guān)信號(hào)采集電路

圖2開(kāi)關(guān)信號(hào)采集電路

　　開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集

　　對(duì)于31路高電平狀態(tài)為5V的開(kāi)關(guān)量，在經(jīng)過(guò)圖2的電路進(jìn)行光電隔離后，分別接入擴(kuò)展82C55＃3板上的A口、 B口和C口禾口ONYXˉMM－XT板上82C55＃2的C口。

　　對(duì)于19路高電平狀態(tài)為15V的開(kāi)關(guān)信號(hào)，由于電壓較高，需通過(guò)一個(gè)lM Ω和一個(gè)510k Ω的電阻分壓，經(jīng)電壓跟隨器跟隨信號(hào)和ULN2803A反相驅(qū)動(dòng)后引入到光電隔離芯片TLP52，1.2L輸入端。當(dāng)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，PC104計(jì)算機(jī)通過(guò)PC總線分別向3片82C55發(fā)出控制指令，讀取相應(yīng)的數(shù)字采集通道，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集。設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)信號(hào)采集電路如圖2所示。

　　電壓測(cè)量摸塊的設(shè)計(jì)

　　分壓電路的設(shè)計(jì)

　　經(jīng)分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)測(cè)試設(shè)備工作時(shí)，通過(guò)檢測(cè)其64路電壓信號(hào)可全面監(jiān)測(cè)到各功能模塊的電壓和電阻狀態(tài)參數(shù)，其中電阻阻值的測(cè)量原理上仍然是測(cè)量電壓。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓％先經(jīng)過(guò)一個(gè)已知電阻R。，再串聯(lián)到被測(cè)電阻Rx，上，因此只需測(cè)出電阻凡上的電壓饑，由歐姆定律可知：

　　故被測(cè)電RX的值為：

　　其中U0、R0為已知，UX為被測(cè)電壓，故由式（2）很容易算出凡的值。

　　由于DIAMOND－MM AT對(duì)電壓信號(hào)輸入范圍要求為－10V～＋10V，而測(cè)試設(shè)備電壓信號(hào)的范圍為0～170V，為保證A/D轉(zhuǎn)換器正常工作，需將不同幅值的輸入電壓信號(hào)調(diào)整到0～10V范圍內(nèi)，因此需將大于10V的電壓信號(hào)進(jìn)行衰減。要實(shí)現(xiàn)電壓衰減通常要用到電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。分壓電路的電壓衰減量為輸出電壓Ui'與輸入電壓Ui之比，設(shè)R2C2的并聯(lián)阻抗為Z2，R1C1的并聯(lián)阻抗為Z1，當(dāng)衰減器元件參數(shù)滿足R1C1=R2C2的關(guān)系時(shí)，分布電容的影響就可不予考慮，此時(shí)衰減器的分壓比為：

　　輸入到A／D轉(zhuǎn)換器的電壓值為：

　　為減小對(duì)被測(cè)信號(hào)的影響，R2和R1通常取值較大，而A/D的輸入阻抗R，的值并非無(wú)窮大，所以實(shí)際輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的電壓為：

　　其中：

　　由式（5）和式（6）可知，如果A／D的輸入阻抗值Ri和R2接近，將會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)較大誤差。解決的方法是在分壓網(wǎng)絡(luò)與A/D轉(zhuǎn)換器之間加一個(gè)電壓跟隨器，由于電壓跟隨器的輸入阻抗很大，R，近似于無(wú)窮，因此，R，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可忽略不計(jì)，改進(jìn)的分壓網(wǎng)絡(luò)電路如圖3所示。

圖3 改進(jìn)分壓網(wǎng)絡(luò)

　　設(shè)計(jì)中為了減小因電阻分壓帶來(lái)的誤差，電路中的分壓電阻統(tǒng)一采用精度為1％的金屬膜電阻。跟隨器隔離之后，采樣電路對(duì)原始信號(hào)的影響降低到了最低程度。

　　電壓信號(hào)的隔離

　　考慮到電壓信號(hào)要求測(cè)量其幅值，因此不能采用隔離開(kāi)關(guān)信號(hào)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的隔離、本系統(tǒng)采用了美ffino公司生產(chǎn)的高速耦合隔離放大器AD215芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的線性隔離。設(shè)計(jì)＋AD215主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，因此其放大倍數(shù)設(shè)為1:1。

　　電壓信號(hào)的測(cè)量

　　雖然測(cè)試設(shè)備待測(cè)電壓路數(shù)較多，但其產(chǎn)生的電壓都是順序執(zhí)行的信號(hào)，考慮到線形光隔AD215和A/D板DIAMOND－MM AT的費(fèi)用較高，為降低開(kāi)發(fā)成本、簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)和縮小電路板體積，本監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)采用了多路復(fù)用技術(shù)，這樣A/D板使用單個(gè)A/D測(cè)量通道就可測(cè)量多個(gè)信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器采集完一個(gè)通道后，PCM3350發(fā)出指令控制模擬開(kāi)關(guān)動(dòng)作，轉(zhuǎn)換到另一個(gè)通道并進(jìn)行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個(gè)通道，如此往復(fù)。采集原理如圖4所示。

圖4電壓信號(hào)采集原理框圖

　　時(shí)間測(cè)昱摸塊的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)測(cè)試設(shè)備的工作情況，本監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)要求的最大計(jì)時(shí)量應(yīng)為3s，而一個(gè)帶4MHz時(shí)鐘的16位計(jì)時(shí)器最長(zhǎng)計(jì)時(shí)時(shí)間僅為16 384ms，所以測(cè)量時(shí)間時(shí)需將二個(gè)16位計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)成32位來(lái)工作，這樣計(jì)時(shí)器最長(zhǎng)計(jì)時(shí)時(shí)間可達(dá)1073.742s。在硬件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)通過(guò)將計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2級(jí)聯(lián)，即將計(jì)數(shù)器l的OUT1接至計(jì)數(shù)器2的CLK2， 門控信號(hào)GATE1和GATE2均由ONYX－MM－XT板上82C55＃2的BS口來(lái)控制，CLK1端接頻率為4MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率源。通過(guò)設(shè)定計(jì)數(shù)器2的初始計(jì)數(shù)值并在計(jì)數(shù)結(jié)束后讀取其計(jì)數(shù)值，利用一定的換算關(guān)系即可計(jì)算出測(cè)得的時(shí)間，測(cè)量原理如圖5所示。

圖5時(shí)間信號(hào)測(cè)量原理圖

　　頻率測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

　　定時(shí)的實(shí)現(xiàn)

　　由于ONYX－MM-xr板上自帶的標(biāo)準(zhǔn)輸入時(shí)鐘頻率為4MHz，而系統(tǒng)需要測(cè)量的信號(hào)頻率為3KHz，因此，該頻率的測(cè)量即是一個(gè)對(duì)8254定時(shí)0.01s并對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)30的測(cè)量，由此可得定時(shí)器的計(jì)數(shù)值為：

　　設(shè)計(jì)上仍是按圖8將計(jì)數(shù)器1、2級(jí)聯(lián)作為定時(shí)器，每到0.01s就觸發(fā)中斷INT7，其工作方式設(shè)置如下：計(jì)數(shù)器1工作于方式2，計(jì)數(shù)器2工作于方式0。設(shè)計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)初值為NI，計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)初值為N2，只要保證N1×N2＝40000，然后將各自的計(jì)數(shù)初值送入相應(yīng)的寄存器、打開(kāi)門控信號(hào)并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器即可實(shí)現(xiàn)定時(shí)。

　　測(cè)頻" title="測(cè)頻">測(cè)頻的實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合被測(cè)頻率信號(hào)的特點(diǎn)，各計(jì)數(shù)器的工作方式分別設(shè)定為：計(jì)數(shù)器0工作于方式4、計(jì)數(shù)器1工作于方式2、計(jì)數(shù)器2工作于方式0。其中，計(jì)數(shù)器0的CLK0端接被測(cè)頻輒作為事件計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器1的CLK1端接4MHz的標(biāo)準(zhǔn)輸入時(shí)鐘頻率f0，計(jì)數(shù)器l與計(jì)數(shù)器2形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)作為定時(shí)器，GATE0、GATEl和GATE2均受82C55＃2的BS口控制。這樣，被測(cè)頻鞔的值可通過(guò)下面的公式來(lái)計(jì)算：

　　其中，N0為計(jì)數(shù)器0的當(dāng)前計(jì)數(shù)值，OxFFFF為計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)初值。頻率信號(hào)測(cè)量的原理如圖5所示。

　　結(jié)論

　　通過(guò)將故障監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)與測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了聯(lián)機(jī)通電測(cè)試，并對(duì)多次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明系統(tǒng)實(shí)際測(cè)得的參數(shù)值和綜合測(cè)試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值非常接近，滿足了對(duì)測(cè)試設(shè)各各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的需要，達(dá)到了測(cè)試設(shè)備故障監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。