摘  要： 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)供電系統(tǒng)中直流電源的電壓、電流參數(shù)和機(jī)柜溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及各種電源之間的互鎖控制，設(shè)計(jì)了一種用于航管雷達(dá)供電電源的測(cè)控系統(tǒng)。闡述了系統(tǒng)的測(cè)控原理和硬件實(shí)現(xiàn)方法，并給出了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路及流程。
關(guān)鍵詞： 電源測(cè)控；傳感器；模數(shù)轉(zhuǎn)換；嵌入式技術(shù)

    隨著航管雷達(dá)體制的快速發(fā)展及其技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)航管雷達(dá)機(jī)內(nèi)測(cè)控系統(tǒng)的要求也越來越高[1]。作為航管雷達(dá)正常工作的動(dòng)力源泉，對(duì)航管雷達(dá)供電系統(tǒng)的測(cè)控更顯得尤為重要。電源工作正常與否，會(huì)直接影響航管雷達(dá)整機(jī)的性能，因此電源測(cè)控系統(tǒng)是航管雷達(dá)必不可少的重要組成部分[2]。
    為了排除電源故障，需要實(shí)時(shí)地了解電源發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)[3]。這就要求在電源發(fā)生故障的瞬間，能夠捕捉到電源實(shí)時(shí)的故障數(shù)據(jù)，并能在故障環(huán)境下穩(wěn)定地保存下來，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)電源參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控、數(shù)字信息交換和故障記錄顯示等，從而降低操作人員和維護(hù)人員的技能要求，提高系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)故障的平均維修時(shí)間[4]。
1 系統(tǒng)總體組成設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的總體組成如圖1所示，主要包括PC104嵌入式計(jì)算機(jī)、傳感器及其檢測(cè)電路部分、接觸器及其控制檢測(cè)電路部分。

    采用PC104總線的嵌入式計(jì)算機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)在于硬件性能優(yōu)越、成熟可靠、結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、更新?lián)Q代容易、可以擴(kuò)充電子硬盤、彩色顯示卡、鍵盤接口、打印機(jī)接口以及各種可選配的功能卡。同時(shí)PC104計(jì)算機(jī)擁有豐富的軟件資源，如各種操作系統(tǒng)的支持環(huán)境以及可以配置的各種工具軟件，因而使得軟件的編程和開發(fā)更加快捷和方便。本系統(tǒng)采用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為平臺(tái)，它包括一個(gè)微內(nèi)核，可以提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持、文件系統(tǒng)和I/O管理、C++編程環(huán)境支持各種模塊。
    該電源測(cè)控系統(tǒng)采用霍爾元件傳感器采集被測(cè)電源的電流和電壓信號(hào)，傳感器檢測(cè)到的信號(hào)以電流信號(hào)輸出給檢測(cè)電路，經(jīng)過A/V變換后，送到AD進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，PC104計(jì)算機(jī)讀取AD輸出的數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的運(yùn)算，之后將檢測(cè)結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)送到遠(yuǎn)端的上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。
    該系統(tǒng)還接收由遠(yuǎn)端的上位機(jī)發(fā)來的接觸器控制命令，通過控制電路輸出到接觸器的觸點(diǎn)，對(duì)某一路電源進(jìn)行開/關(guān)機(jī)控制。同時(shí)通過接觸器狀態(tài)檢測(cè)電路檢測(cè)接觸器輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)，觀測(cè)被控制后的接觸器是否動(dòng)作，并將檢測(cè)到的狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)送到遠(yuǎn)端的上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。
2 傳感器及其檢測(cè)電路
2.1 電壓、電流傳感器
    系統(tǒng)采用霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器。兩者都是應(yīng)用霍爾效應(yīng)和零磁通原理的新一帶傳感器，可以在隔離條件下測(cè)量直流電壓或電流。其主要功能特點(diǎn)有：(1)應(yīng)用了霍爾原理的閉環(huán)補(bǔ)償特性；(2)具有良好的線性度；(3)優(yōu)化了響應(yīng)時(shí)間；(4)寬頻帶、高靈敏度；(5)體積小無插入損耗[5]。
    電壓傳感器的輸入是寬范圍的直流電壓信號(hào)，電流傳感器的輸入是寬范圍的直流電流信號(hào)，輸出均為4 mA~20 mA的測(cè)量信號(hào)。
2.2 電流電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
    該電路由精密電阻、電容、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7891以及必要的FPGA輸出的控制信號(hào)構(gòu)成。來自傳感器的4 mA~20 mA電流檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換成0~5 V的電壓檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過電容濾波后送到AD7891進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字量由PC104計(jì)算機(jī)讀取并處理。
    AD7891是美國ADI公司推出的一種12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)，應(yīng)用電路如圖2所示，AD7891的主要特性是：
    (1)分辨率12 bit；
    (2)轉(zhuǎn)換時(shí)間1．6 μs；
    (3)8個(gè)具有過壓保護(hù)的模擬信號(hào)通道；
    (4)+5 V單電源工作，低功耗；
    (5)非線性誤差為±1LBS；
    (6)并行和串行接口；
    (7)芯片內(nèi)有采樣/保持放大器；
    (8)芯片內(nèi)提供參考電源。

    它具有外接元件少、功耗低、精度高等優(yōu)點(diǎn)，適合作各種微處理器、控制器以及數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的接口。
2.3 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
    采用MAX6673溫度傳感器，溫度檢測(cè)電路如圖3所示。

    溫度傳感器的1腳輸出PWM方波，通過FPGA內(nèi)部的計(jì)數(shù)器和時(shí)鐘對(duì)PWM方波的正、負(fù)脈寬進(jìn)行計(jì)時(shí)，得到PWM波形中蘊(yùn)涵的溫度信息，最終由PC104計(jì)算機(jī)軟件讀取并計(jì)算出溫度值，送監(jiān)視界面顯示。FPGA內(nèi)部的溫度讀取模塊如圖4所示。

3 接觸器測(cè)控電路
3.1 接觸器控制電路設(shè)計(jì)
    如圖5所示，該電路由FPGA、HC374、電阻和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管IFR7380組成。來自遠(yuǎn)端的接觸器開/關(guān)控制命令經(jīng)過FPGA 內(nèi)部的端口，送到三態(tài)鎖存器HC374，并經(jīng)過功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管IFR7380進(jìn)行電流放大，輸出給接觸器，使接觸器吸合或者斷開。

    控制電路內(nèi)部還接有撥動(dòng)開關(guān)，使系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)本地控制和遠(yuǎn)端遙控控制的相互切換。
    IFR7380是大電流小電阻的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它的主要性能指標(biāo)有：(1)Vcc為80 V；(2)開關(guān)輸出平均電流3 A；(3)功耗2 W。
3.2 接觸器狀態(tài)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
    接觸器狀態(tài)檢測(cè)電路如圖6所示，由電阻、電容、HC244和FPGA組成。被檢測(cè)的接觸器的輔助觸點(diǎn)的一端接地，另一端接到該系統(tǒng)，經(jīng)電阻上拉后輸入到HC244驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過電容濾波去除干擾信號(hào)，再輸入到FPGA的內(nèi)部端口，由PC104計(jì)算機(jī)讀取接觸器輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)，處理之后送遠(yuǎn)端上位機(jī)的電源監(jiān)視界面。

    當(dāng)接觸器斷開時(shí)檢測(cè)信號(hào)為高電平，吸合時(shí)檢測(cè)信號(hào)為低電平，這種檢測(cè)方法稱之為干接點(diǎn)檢測(cè)法。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    操作系統(tǒng)選擇VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這是由WindRiver推出的一種嵌入式強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[6]，它存在多任務(wù)調(diào)度的方式，可以管理多個(gè)外設(shè)，而且可根據(jù)應(yīng)用程序的需求對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，最大程度地壓縮代碼,實(shí)現(xiàn)程序的優(yōu)化。VxWorks因其卓越的穩(wěn)定性被首先應(yīng)用于航天、導(dǎo)彈等尖端領(lǐng)域，目前使用更加廣泛[7-8]。
    軟件處理流程如圖7所示，系統(tǒng)引導(dǎo)成功后進(jìn)入用戶程序入口，首先開始任務(wù)的初始化，其主要包括初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、讀取工作參數(shù)配置文件、控制端口復(fù)位、網(wǎng)絡(luò)初始化等。軟件通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)外進(jìn)行通信，系統(tǒng)初始化完成后要?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)絡(luò)接收任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)接收任務(wù)創(chuàng)建完成后就開始了主任務(wù)與網(wǎng)絡(luò)接收任務(wù)的并行處理工作。

    網(wǎng)絡(luò)接收任務(wù)與主任務(wù)的優(yōu)先級(jí)相同，任務(wù)切換依靠系統(tǒng)時(shí)間片輪詢來進(jìn)行調(diào)度。兩個(gè)任務(wù)之間依靠信號(hào)量進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)接收任務(wù)收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，并設(shè)置信號(hào)量以通知主任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的控制響應(yīng)，其主要包括信號(hào)量復(fù)位、接觸器控制、狀態(tài)回送等。
    主任務(wù)除了處理外界的控制命令外還要實(shí)時(shí)地采集16路電壓電流值、16個(gè)觸點(diǎn)狀態(tài)值、系統(tǒng)溫度值。主任務(wù)采集各種狀態(tài)信息后要定時(shí)把所有信息打包發(fā)送給遠(yuǎn)端的上位機(jī)。遠(yuǎn)端上位機(jī)上的電源測(cè)控監(jiān)視界面如圖8所示。

    由嵌入式PC104計(jì)算機(jī)和模擬器件構(gòu)成的電源測(cè)控系統(tǒng)能夠精確地對(duì)供電系統(tǒng)的各種電源的電流值、電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并通過遠(yuǎn)端操縱臺(tái)對(duì)這些電源進(jìn)行遙控開機(jī)或者關(guān)機(jī)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些電源的開機(jī)或者關(guān)機(jī)狀態(tài)。該系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用到某航管雷達(dá)的供電系統(tǒng)。
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