故障監(jiān)測系統(tǒng)的方案設計

對于測試設備和某控制系統(tǒng)，它們之間由電纜相連，測試設備向控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號、發(fā)送數(shù)據及接收控制系統(tǒng)返回的狀態(tài)信號均通過電纜傳輸，因此，綜合測試設備和控制系統(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。

在設備連接關系上，故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)通過信號轉接箱與控制系統(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，信號轉接箱將控制系統(tǒng)及其綜合測試設備所產生的各種信號轉接后送至信號調理單元，由信號調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。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。

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，經電壓跟隨器跟隨信號和ULN2803A反相驅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：

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轉換器正常工作，需將不同幅值的輸入電壓信號調整到0～10V范圍內，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：

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轉換器的電壓為：

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絡與A/D轉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，改進的分壓網絡電路如圖3所示。

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。［page］

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，轉換到另一個通道并進行采集，然后再轉換到下一個通道，如此往復。采集原理如圖4所示。

時間測昱摸塊的設計

根據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。

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。

測頻的實現(xiàn)

根據系統(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。

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