故障監(jiān)測系繞的方案設計
對于測試設各和某控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng),，它們之間由電纜相連,，測試設備" title="測試設備">測試設備向控制系統(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所示的總體設計方案,。
圖1系統(tǒng)總體設計方案
在設備連接關系上，故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)通過信號轉(zhuǎn)接箱與控制系統(tǒng)以及綜合測試設備相連,，當測試設備對控制系統(tǒng)進行綜合測試時,，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計算機通過PC總線向數(shù)據(jù)采集板發(fā)出控制指令,，控制相應的繼電器組和模擬開關工作,，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接口板對被測設備的電壓量,、頻率量,、丹關量和時間量進行采集，并將采集到的信號進行分析、判斷和顯示,。
針對測試設備監(jiān)測信號具有種類多,、數(shù)量大的特殊性，結合基于PC104總線的嵌入式CPU主板和數(shù)據(jù)采集板的結構特點,，系統(tǒng)采用技術成熟的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。
開關量測量模塊的設計
本系統(tǒng)需要采集的開關信號有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)對綜合測試設備工作的影響，增強信號的驅(qū)動能力,，在對信號進行光電隔離前需將待測開關信號輸入到八輸入/輸出反相驅(qū)動器ULN2803A中,， 以保證TLP52l－4L能穩(wěn)定可靠地工作。設計的開關信號光電隔離電路如圖2示,。
圖2開關信號采集電路
圖2開關信號采集電路
開關信號的采集
對于31路高電平狀態(tài)為5V的開關量,，在經(jīng)過圖2的電路進行光電隔離后，分別接入擴展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,。當監(jiān)測診斷系統(tǒng)需要采集數(shù)據(jù)時，PC104計算機通過PC總線分別向3片82C55發(fā)出控制指令,，讀取相應的數(shù)字采集通道,，實現(xiàn)開關信號的采集。設計的開關信號采集電路如圖2所示,。
電壓測量摸塊的設計
分壓電路的設計
經(jīng)分析總結發(fā)現(xiàn)：當測試設備工作時,，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,。一個標準電壓％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的電壓信號進行衰減,。要實現(xiàn)電壓衰減通常要用到電阻分壓網(wǎng)絡。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R2C2的并聯(lián)阻抗為Z2,，R1C1的并聯(lián)阻抗為Z1，當衰減器元件參數(shù)滿足R1C1=R2C2的關系時,，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,，將會給測量結果帶來較大誤差。解決的方法是在分壓網(wǎng)絡與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，對測量結果的影響可忽略不計,，改進的分壓網(wǎng)絡電路如圖3所示,。
圖3 改進分壓網(wǎng)絡
設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,。設計＋AD215主要是用來實現(xiàn)信號隔離，因此其放大倍數(shù)設為1:1,。
電壓信號的測量
雖然測試設備待測電壓路數(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,、簡化電路設計和縮小電路板體積，本監(jiān)測診斷系統(tǒng)采用了多路復用技術,，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動作,，轉(zhuǎn)換到另一個通道并進行采集,，然后再轉(zhuǎn)換到下一個通道，如此往復,。采集原理如圖4所示,。
圖4電壓信號采集原理框圖
時間測昱摸塊的設計
根據(jù)測試設備的工作情況，本監(jiān)測診斷系統(tǒng)要求的最大計時量應為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1073.742s,。在硬件設計上,，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的標準頻率源。通過設定計數(shù)器2的初始計數(shù)值并在計數(shù)結束后讀取其計數(shù)值,，利用一定的換算關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
頻率測量模塊的設計
定時的實現(xiàn)
由于ONYX－MM-xr板上自帶的標準輸入時鐘頻率為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并對信號進行計數(shù)30的測量,，由此可得定時器的計數(shù)值為：
設計上仍是按圖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)的設計要求，結合被測頻率信號的特點,，各計數(shù)器的工作方式分別設定為：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的標準輸入時鐘頻率f0,，計數(shù)器l與計數(shù)器2形成串聯(lián)結構作為定時器,，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。
結論
通過將故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)與測試設備進行了聯(lián)機通電測試,，并對多次測量結果進行分析,，結果表明系統(tǒng)實際測得的參數(shù)值和綜合測試設備的標準參數(shù)值非常接近，滿足了對測試設各各參數(shù)進行監(jiān)測的需要,，達到了測試設備故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)的設計指標要求,。