故障監(jiān)測系繞的方案設(shè)計
對于測試設(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,,測試設(shè)備" title="測試設(shè)備">測試設(shè)備向控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號、發(fā)送數(shù)據(jù)及接收控制系統(tǒng)返回的狀態(tài)信號均通過電纜傳輸,,因此,,綜合測試設(shè)各和控制系統(tǒng)在各測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)計方案,。
圖1系統(tǒng)總體設(shè)計方案
在設(shè)備連接關(guān)系上,故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)通過信號轉(zhuǎn)接箱與控制系統(tǒng)以及綜合測試設(shè)備相連,,當(dāng)測試設(shè)備對控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合測試時,,信號轉(zhuǎn)接箱將控制系統(tǒng)及其綜合測試設(shè)備所產(chǎn)生的各種信號轉(zhuǎn)接后送至信號調(diào)理單元,由信號調(diào)理單元完成對信號的濾波,、限幅,、整形、放大,、隔離等處理,。同時,PC104計算機(jī)通過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關(guān)工作,,接通需要采集的信號通道,通過A/D接口板" title="接口板">接口板和I/O接口板對被測設(shè)備的電壓量,、頻率量,、丹關(guān)量和時間量進(jìn)行采集,并將采集到的信號進(jìn)行分析,、判斷和顯示,。
針對測試設(shè)備監(jiān)測信號具有種類多、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,,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,,外加上自行開發(fā)的外圍信號調(diào)理電路和接口模塊,,運用模塊化設(shè)計思想,實現(xiàn)了故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)所要求的功能,。
開關(guān)量測量模塊的設(shè)計
本系統(tǒng)需要采集的開關(guān)信號有50路,,其平時狀態(tài)為低電平(幅值為0V),工作時為高電平" title="高電平">高電平,。其中有19路信號的高電平狀態(tài)為15V,,31路信號的高電平狀態(tài)為5V,。
隔離電路的設(shè)計
系統(tǒng)的隔離測試和電平轉(zhuǎn)換功能的實現(xiàn)主要是通過光電隔離芯片TLP521-4L來完成的??紤]到引人的數(shù)字信號驅(qū)動能力有限,,為了減少監(jiān)測診斷系統(tǒng)對綜合測試設(shè)備工作的影響,增強(qiáng)信號的驅(qū)動能力,,在對信號進(jìn)行光電隔離前需將待測開關(guān)信號輸入到八輸入/輸出反相驅(qū)動器ULN2803A中,, 以保證TLP52l-4L能穩(wěn)定可靠地工作。設(shè)計的開關(guān)信號光電隔離電路如圖2示,。
圖2開關(guān)信號采集電路
圖2開關(guān)信號采集電路
開關(guān)信號的采集
對于31路高電平狀態(tài)為5V的開關(guān)量,,在經(jīng)過圖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,。
對于19路高電平狀態(tài)為15V的開關(guān)信號,由于電壓較高,,需通過一個lM Ω和一個510k Ω的電阻分壓,,經(jīng)電壓跟隨器跟隨信號和ULN2803A反相驅(qū)動后引入到光電隔離芯片TLP52,1.2L輸入端,。當(dāng)監(jiān)測診斷系統(tǒng)需要采集數(shù)據(jù)時,,PC104計算機(jī)通過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,,實現(xiàn)開關(guān)信號的采集,。設(shè)計的開關(guān)信號采集電路如圖2所示。
電壓測量摸塊的設(shè)計
分壓電路的設(shè)計
經(jīng)分析總結(jié)發(fā)現(xiàn):當(dāng)測試設(shè)備工作時,,通過檢測其64路電壓信號可全面監(jiān)測到各功能模塊的電壓和電阻狀態(tài)參數(shù),,其中電阻阻值的測量原理上仍然是測量電壓。一個標(biāo)準(zhǔn)電壓%先經(jīng)過一個已知電阻R,。,,再串聯(lián)到被測電阻Rx,上,,因此只需測出電阻凡上的電壓饑,,由歐姆定律可知:
故被測電RX的值為:
其中U0、R0為已知,,UX為被測電壓,,故由式(2)很容易算出凡的值。
由于DIAMOND-MM AT對電壓信號輸入范圍要求為-10V~+10V,,而測試設(shè)備電壓信號的范圍為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調(diào)整到0~10V范圍內(nèi),因此需將大于10V的電壓信號進(jìn)行衰減,。要實現(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,分布電容的影響就可不予考慮,,此時衰減器的分壓比為:
輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的電壓值為:
為減小對被測信號的影響,,R2和R1通常取值較大,而A/D的輸入阻抗R,,的值并非無窮大,所以實際輸入到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,,將會給測量結(jié)果帶來較大誤差。解決的方法是在分壓網(wǎng)絡(luò)與A/D轉(zhuǎn)換器之間加一個電壓跟隨器,,由于電壓跟隨器的輸入阻抗很大,,R,近似于無窮,,因此,,R,對測量結(jié)果的影響可忽略不計,,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)計中為了減小因電阻分壓帶來的誤差,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,,采樣電路對原始信號的影響降低到了最低程度。
電壓信號的隔離
考慮到電壓信號要求測量其幅值,,因此不能采用隔離開關(guān)信號的方式來實現(xiàn)電壓信號的隔離,、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芯片來實現(xiàn)電壓信號的線性隔離。設(shè)計+AD215主要是用來實現(xiàn)信號隔離,,因此其放大倍數(shù)設(shè)為1:1,。
電壓信號的測量
雖然測試設(shè)備待測電壓路數(shù)較多,但其產(chǎn)生的電壓都是順序執(zhí)行的信號,,考慮到線形光隔AD215和A/D板DIAMOND-MM AT的費用較高,,為降低開發(fā)成本、簡化電路設(shè)計和縮小電路板體積,,本監(jiān)測診斷系統(tǒng)采用了多路復(fù)用技術(shù),,這樣A/D板使用單個A/D測量通道就可測量多個信號。A/D轉(zhuǎn)換器采集完一個通道后,PCM3350發(fā)出指令控制模擬開關(guān)動作,,轉(zhuǎn)換到另一個通道并進(jìn)行采集,,然后再轉(zhuǎn)換到下一個通道,如此往復(fù),。采集原理如圖4所示,。
圖4電壓信號采集原理框圖
時間測昱摸塊的設(shè)計
根據(jù)測試設(shè)備的工作情況,本監(jiān)測診斷系統(tǒng)要求的最大計時量應(yīng)為3s,,而一個帶4MHz時鐘的16位計時器最長計時時間僅為16 384ms,,所以測量時間時需將二個16位計數(shù)器級聯(lián)成32位來工作,這樣計時器最長計時時間可達(dá)1073.742s,。在硬件設(shè)計上,,系統(tǒng)通過將計數(shù)器1和計數(shù)器2級聯(lián),即將計數(shù)器l的OUT1接至計數(shù)器2的CLK2,, 門控信號GATE1和GATE2均由ONYX-MM-XT板上82C55#2的BS口來控制,,CLK1端接頻率為4MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率源。通過設(shè)定計數(shù)器2的初始計數(shù)值并在計數(shù)結(jié)束后讀取其計數(shù)值,,利用一定的換算關(guān)系即可計算出測得的時間,,測量原理如圖5所示。
圖5時間信號測量原理圖
頻率測量模塊的設(shè)計
定時的實現(xiàn)
由于ONYX-MM-xr板上自帶的標(biāo)準(zhǔn)輸入時鐘頻率為4MHz,,而系統(tǒng)需要測量的信號頻率為3KHz,,因此,該頻率的測量即是一個對8254定時0.01s并對信號進(jìn)行計數(shù)30的測量,,由此可得定時器的計數(shù)值為:
設(shè)計上仍是按圖8將計數(shù)器1,、2級聯(lián)作為定時器,每到0.01s就觸發(fā)中斷INT7,,其工作方式設(shè)置如下:計數(shù)器1工作于方式2,,計數(shù)器2工作于方式0。設(shè)計數(shù)器1的計數(shù)初值為NI,,計數(shù)器2的計數(shù)初值為N2,,只要保證N1×N2=40000,然后將各自的計數(shù)初值送入相應(yīng)的寄存器,、打開門控信號并啟動計數(shù)器即可實現(xiàn)定時,。
測頻" title="測頻">測頻的實現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求,結(jié)合被測頻率信號的特點,,各計數(shù)器的工作方式分別設(shè)定為:計數(shù)器0工作于方式4,、計數(shù)器1工作于方式2、計數(shù)器2工作于方式0,。其中,,計數(shù)器0的CLK0端接被測頻輒作為事件計數(shù)器,,計數(shù)器1的CLK1端接4MHz的標(biāo)準(zhǔn)輸入時鐘頻率f0,計數(shù)器l與計數(shù)器2形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)作為定時器,,GATE0,、GATEl和GATE2均受82C55#2的BS口控制。這樣,,被測頻鞔的值可通過下面的公式來計算:
其中,,N0為計數(shù)器0的當(dāng)前計數(shù)值,OxFFFF為計數(shù)器0的計數(shù)初值,。頻率信號測量的原理如圖5所示,。
結(jié)論
通過將故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)與測試設(shè)備進(jìn)行了聯(lián)機(jī)通電測試,并對多次測量結(jié)果進(jìn)行分析,,結(jié)果表明系統(tǒng)實際測得的參數(shù)值和綜合測試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值非常接近,,滿足了對測試設(shè)各各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測的需要,達(dá)到了測試設(shè)備故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)要求,。