《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種電源智能測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第5期
葉敦范,,劉 鑫,李亞敏,張夢(mèng)炎
(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機(jī)械與電子信息學(xué)院,, 湖北 武漢 430074)
摘要: 提出了以PIC單片機(jī)為核心處理器的新型LED液晶顯示器驅(qū)動(dòng)電源智能測(cè)試儀的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)現(xiàn)了設(shè)定電流,、測(cè)電壓,、測(cè)電流、測(cè)頻率,,多通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ髂J?。支持兩種供電模式下對(duì)LED液晶顯示器的4路輸出的10種狀態(tài)智能檢測(cè)。并能通過RS485總線將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行分析。實(shí)際工程應(yīng)用的結(jié)果表明該方案設(shè)計(jì)可行,、功能完善,、可靠性高,設(shè)備現(xiàn)已投入使用,。
中圖分類號(hào): TP216
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)05-0093-04
Design and implementation of a power intelligent tester
Ye Dunfan, Liu Xin, Li Yamin, Zhang Mengyan
Mechanical and Electronic Information Institute, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
Abstract: A new scheme of intelligent tester for LED LCD driver power supply based on PIC is proposed. Multiple operating mode are achieved: current rating, current measurement, voltage measurement, frequency measurement and multi-channel data transmission. Intelligent testing for ten states of LED LCD′s four outputs under two power supply mode are supported. Test data is transmitted to PC via RS485 bus for analysis. It has been validated by practical engineering application that the scheme is feasible, completely functional and highly reliable.
Key words : driving power; PIC; RS485; intelligent testing

    隨著電源產(chǎn)品使用的日益廣泛,,電源產(chǎn)品的性能好壞成為消費(fèi)者更為關(guān)注的事情。為確保質(zhì)量,,從國(guó)際到國(guó)內(nèi),,都制定了一系列的電源標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量電源產(chǎn)品的質(zhì)量,每批電源產(chǎn)品的出廠,,都要經(jīng)過嚴(yán)格的老化測(cè)試和帶載測(cè)試,。傳統(tǒng)的測(cè)試方法中一般都采用電阻、滑線變阻器,、電阻箱等靜態(tài)負(fù)載充當(dāng)測(cè)試負(fù)載,,但這些負(fù)載已經(jīng)不能滿足我們對(duì)負(fù)載多方面的要求,電子負(fù)載就是在實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載比較復(fù)雜的情況下而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的測(cè)試設(shè)備,。它能替代傳統(tǒng)的負(fù)載,,尤其對(duì)吸收恒定電流或以恒定電壓吸收電流,或電壓電流都要在設(shè)定范圍突變等傳統(tǒng)方法不能解決的領(lǐng)域里,,更能顯示出優(yōu)越性能[1],。
    鑒于以上這些因素,設(shè)計(jì)出了一套能快速檢測(cè)電源參數(shù)的新型LED液晶顯示器驅(qū)動(dòng)電源智能測(cè)試儀,,該設(shè)備主要包括四路電子負(fù)載,,電源控制主板和上位機(jī)智能測(cè)試系統(tǒng)。四路電子負(fù)載板以PIC16F877A控制核心,,實(shí)現(xiàn)了設(shè)定電流,、測(cè)電壓、測(cè)電流,、實(shí)時(shí)接收上位機(jī)指令傳送采樣數(shù)據(jù)等工作模式,,并采用液晶屏顯示被測(cè)電壓,恒定電流值,。電源控制板采用PIC16F877A控制核心,,通過接收上位機(jī)的控制指令,控制被測(cè)LED液晶顯示器驅(qū)動(dòng)電源的供電開關(guān),、PSON信號(hào),、BKON信號(hào)和ADJ信號(hào)。同時(shí)測(cè)試電源板的V_SEN1,、I_SEN,、V_SEN2和開關(guān)頻率信號(hào)并發(fā)給上位機(jī)。上位機(jī)智能測(cè)試系統(tǒng)通過采用ADM2483芯片搭建的RS485總線對(duì)四路電子負(fù)載和控制主板進(jìn)行控制,對(duì)下位機(jī)傳送過來(lái)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,,從而對(duì)LED液晶顯示器驅(qū)動(dòng)電源的性能做出判斷,。
1 智能測(cè)試儀總體設(shè)計(jì)
    智能測(cè)試儀采用PIC16F877A處理器,通過485串口通信總線接收上位機(jī)命令,,實(shí)現(xiàn)電源恒定電流設(shè)置和電源在OPEN,、PSON、BKON,、ADJ、負(fù)載短路,、短路恢復(fù)等各個(gè)狀態(tài)的測(cè)試,。測(cè)試通過內(nèi)部A/D、CCP等模塊采集電源輸出電壓,、電流,、I_SEN、V_SEN1,、V_SEN2,、頻率等信息,并通過485總線發(fā)給上位機(jī)實(shí)時(shí)判斷,。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,。

    本設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)層次:上位機(jī)、控制主板,、電子負(fù)載,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次劃分如下:
    (1) 上位機(jī):含有電源所有參數(shù)信息,初始化設(shè)置中設(shè)置恒定電流和供電方式,。測(cè)試過程首先給控制板發(fā)送測(cè)試狀態(tài),,控制板響應(yīng)后,上位機(jī)發(fā)送各個(gè)模塊的反數(shù)據(jù)指令,。
    (2) 控制主板:控制被測(cè)電源的測(cè)試狀態(tài),,包括:斷電、供電方式選擇,,OPEN測(cè)試,、PSON測(cè)試、BKON ADJ=0測(cè)試,、BKON ADJ=5測(cè)試,。同時(shí)能夠?qū)⒈粶y(cè)電源板的V_SEN1、I_SEN,、V_SEN2和開關(guān)頻率分別通過A/D模塊和CCP模塊測(cè)試出發(fā)給上位機(jī),。
    (3) 電子負(fù)載:通過單片機(jī)輸出不同占空比的PWM波形,控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間,調(diào)節(jié)流過場(chǎng)效應(yīng)管的電流,,控制電源板的恒定電流大小,,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源板電壓變化。同時(shí)能響應(yīng)上位機(jī)恒流大小設(shè)置,,短路和短路恢復(fù)命令并將各個(gè)測(cè)試狀態(tài)下的被測(cè)電源的電壓,、電流發(fā)送給上位機(jī)[2]。電子負(fù)載結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 智能測(cè)試儀控制電路設(shè)計(jì)

    電子負(fù)載系統(tǒng)和控制板系統(tǒng)的核心控制器選用Microchip公司的PIC16F877A單片機(jī),。PIC16F877A單片機(jī)在電子負(fù)載系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)以下功能:通過兩位撥碼開關(guān)實(shí)時(shí)判斷負(fù)載類型、占空比可調(diào)節(jié)的PWM控制信號(hào)輸出,、實(shí)際電壓A/D采集,、電流A/D采集、LCD顯示,、485串口通信,、鍵盤輸入等。
    PIC16F877A單片機(jī)在控制板系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn):供電方式選擇,、開電源,、開PSON、開BKON,、開ADJ,、電源板上V_SEN1電壓A/D采集、I_SEN電流A/D采集,、V_SEN2電壓A/D采集和開關(guān)頻率采集,,以及485串口通信等。
2.2 恒流電路設(shè)計(jì)    
    恒流電路采用場(chǎng)效應(yīng)管式恒流源,,場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)工作在不飽和區(qū)時(shí),,漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個(gè)受柵-源電壓控制的可變電阻。用MOSFET作可變電阻具有工作速度快,,可靠性高和控制靈敏等優(yōu)點(diǎn),,而且既無(wú)機(jī)械觸點(diǎn),也無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,,噪聲低,,壽命長(zhǎng)。但是MOSFET的通態(tài)電阻較大,,且負(fù)載電流較小,。所以MOSFET適合模擬一些變化速度較快,但電流不大的實(shí)際負(fù)載,。此外,,MOS型晶體管特別適合于開關(guān)狀態(tài)工作,,因?yàn)樗驅(qū)〞r(shí)的電阻極小,而且開關(guān)速度快,,所以是一種理想的開關(guān)元件,,這也正是電子負(fù)載使用場(chǎng)效應(yīng)管式恒流源的原因[3]。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù),,取一定裕量,,并考慮到實(shí)驗(yàn)過程中的不定因素,決定選用N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管IRFP450,。IRFP450的漏源極擊穿電壓VDS=500 V,,最大漏源極連續(xù)導(dǎo)通電流為ID=14 A,靜態(tài)導(dǎo)通電阻RDS(on)=0.400 Ω,。
    圖3為IRFP450輸出特性曲線圖[4],,在4 V≤VGS≤5.3 V之間,滿足0 A≤ID≤14 A,且當(dāng)VDS大于一定值時(shí),,ID的大小只隨VGS而變化,VGS不變則ID基本保持不變,,這就基本滿足了恒流的條件,,再加上ID負(fù)反饋調(diào)節(jié)VGS大小,能夠達(dá)到恒流的功能,。當(dāng)其通過較大電流時(shí),,MOSFET管上的功率較大,發(fā)熱很厲害,,所以需要加上大散熱片,,采用空氣冷卻方式解決大電流經(jīng)過MOS管所導(dǎo)致的溫升[5]。

2.3 采樣電路設(shè)計(jì)
    A/D是檢測(cè)和測(cè)量環(huán)節(jié)的重要技術(shù)手段,,為了讓負(fù)載準(zhǔn)確工作,,設(shè)計(jì)中對(duì)被測(cè)電源的輸出電壓、MOS管的電流,、電源板I_SEN,、V_SEN1和V_SEN2進(jìn)行了實(shí)時(shí)采樣。采樣A/D選用PIC16F877A內(nèi)部10位精度的逐次逼近型A/D,,采樣精度可達(dá)5 V/1 024≈0.005 V,,滿足設(shè)計(jì)需求,簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),。
    對(duì)電源輸出電壓測(cè)試中,,電壓采樣電路要實(shí)現(xiàn)對(duì)0~250 V電壓采樣,則必須對(duì)輸入電壓進(jìn)行分壓,、選檔,。分壓一般采用電阻分壓,,使其最大輸入電壓小于5 V;選檔提高采樣電壓精確度,??紤]了模擬電子開關(guān)和繼電器選檔。CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān),,有3個(gè)二進(jìn)制輸入端A,、B、C和INH輸入,,具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流,。這3 bit二進(jìn)制信號(hào)可以選通1~8通道的打開和關(guān)閉,也可連接該輸入端至輸出,。但CMOS模擬開關(guān)并不像繼電器那樣可以用在大電流,、高電壓場(chǎng)合,只適于處理幅度不超過其工作電壓,、電流較小的模擬或數(shù)字信號(hào),,且必須共地,加光耦電路,。因此采用繼電器控制選檔的減法運(yùn)算電路,。
3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 軟件總體框架和設(shè)計(jì)思想

 


    下位機(jī)軟件總體流程如圖4所示,整個(gè)下位機(jī)為一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng),,采用輪詢的思想,,對(duì)各個(gè)功能模塊輪流查詢,分時(shí)處理。其中指令的接收通過串口接收中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn),,以及時(shí)響應(yīng)上位機(jī)的請(qǐng)求,。

3.2 時(shí)序控制
    時(shí)序控制流程如圖5所示,各計(jì)數(shù)器的基準(zhǔn)時(shí)間由定時(shí)器0產(chǎn)生,,定時(shí)器每500 ?滋s產(chǎn)生一次中斷作為基準(zhǔn)時(shí)間,,在中斷服務(wù)程序中對(duì)各計(jì)數(shù)器加1。在時(shí)序控制程序中,,當(dāng)A/D計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到9,,清零A/D計(jì)數(shù)器,并置A/D采樣標(biāo)志,,即每4.5 ms進(jìn)行一次A/D采樣,;當(dāng)KEY計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到19,清零KEY計(jì)數(shù)器,,并置KEY掃描標(biāo)志,,即每9.5 ms進(jìn)行一次按鍵掃描;當(dāng)LOAD計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到39,,清零LOAD計(jì)數(shù)器,,并置LOAD掃描標(biāo)志,,即每19.5 ms進(jìn)行一次負(fù)載編號(hào)掃描;當(dāng)LCD計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到80, 清零LCD計(jì)數(shù)器,并置LCD刷新標(biāo)志, 即每40 ms進(jìn)行一次液晶顯示刷新,。
3.3 通信程序設(shè)計(jì)
    在下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中,,首先需要進(jìn)行通信協(xié)議的設(shè)計(jì),進(jìn)行通信信息幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),,異步串行通信以幀為單位,,即每次傳送一個(gè)數(shù)據(jù)幀。PIC16F877A通過設(shè)置寄存器SPBRG設(shè)置串口波特率,,設(shè)置RCSTA來(lái)設(shè)置串口的工作模式,。單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收分別由數(shù)據(jù)發(fā)送單元和數(shù)據(jù)接收單元來(lái)完成的,發(fā)送為查詢方式,,當(dāng)檢查到數(shù)據(jù)寄存器為空時(shí),,把要寫入的數(shù)據(jù)發(fā)送,同時(shí)恢復(fù)串口為接收模式,,接收以中斷方式[6],。
    數(shù)據(jù)發(fā)送單元:?jiǎn)纹瑱C(jī)首先通過將數(shù)據(jù)寫入串口數(shù)據(jù)寄存器TXREG啟動(dòng)發(fā)送過程,然后再控制邏輯的控制作用下將一位時(shí)鐘脈沖加載到移位寄存器,,然后依次將起始位,、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位傳送至TXD端口,。在一幀數(shù)據(jù)傳輸完成后,若又有數(shù)據(jù)寫入串口數(shù)據(jù)寄存器,,則該數(shù)據(jù)立即裝入到移位寄存器(TSR)中,,TXIF立即置1,當(dāng)發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)完成后,,TXIF標(biāo)志位在下一個(gè)周期清零,。圖6所示為下位機(jī)通信軟件流程。

3.4 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)上位機(jī)以VC為開發(fā)工具,,上位機(jī)主要是用于控制下位機(jī)完成電源板的各項(xiàng)測(cè)試,,并顯示測(cè)試數(shù)據(jù),分析測(cè)試數(shù)據(jù)和保存測(cè)試數(shù)據(jù),。上位機(jī)通過屬性列表完成對(duì)電源參數(shù)預(yù)值的加載和測(cè)試步驟,、負(fù)載的選擇。
 整個(gè)測(cè)試過程中,,上位機(jī)將統(tǒng)計(jì)被測(cè)電源總數(shù),,被測(cè)電源合格率。同時(shí)配有監(jiān)視串口實(shí)時(shí)觀察測(cè)試信息,。
4 測(cè)試結(jié)果
    在系統(tǒng)測(cè)試中,,主要通過上位機(jī)界面進(jìn)行控制,、設(shè)定、結(jié)果判斷,,也可通過負(fù)載面板設(shè)定電流值和進(jìn)行短路測(cè)試及短路恢復(fù)測(cè)試,。通過上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試,首先加載電源型號(hào)的測(cè)試參數(shù),,需要修改測(cè)試參數(shù)時(shí)通過測(cè)試設(shè)置完成,,然后初始化設(shè)置電流,監(jiān)視窗口接收到負(fù)載設(shè)置恒流成功的指令后,,點(diǎn)擊“Start”或者按下空格鍵開始測(cè)試,,界面會(huì)根據(jù)下位機(jī)返回的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,彈出相應(yīng)的提示窗口,。測(cè)試結(jié)果如圖7所示,。

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