一種用于航管雷達供電的測控系統(tǒng)設計
為了排除電源故障，需要實時地了解電源發(fā)生故障時的狀態(tài)[3]。這就要求在電源發(fā)生故障的瞬間，能夠捕捉到電源實時的故障數(shù)據(jù)，并能在故障環(huán)境下穩(wěn)定地保存下來，進而對系統(tǒng)電源參數(shù)進行實時測控、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)故障的平均維修時間[4]。
1 系統(tǒng)總體組成設計
系統(tǒng)的總體組成如圖1所示，主要包括PC104嵌入式計算機、傳感器及其檢測電路部分、接觸器及其控制檢測電路部分。
采用PC104總線的嵌入式計算機，其優(yōu)點在于硬件性能優(yōu)越、成熟可靠、結(jié)構(gòu)標準、更新?lián)Q代容易、可以擴充電子硬盤、彩色顯示卡、鍵盤接口、打印機接口以及各種可選配的功能卡。同時PC104計算機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實時操作系統(tǒng)為平臺，它包括一個微內(nèi)核，可以提供強大的網(wǎng)絡支持、文件系統(tǒng)和I/O管理、C++編程環(huán)境支持各種模塊。
該電源測控系統(tǒng)采用霍爾元件傳感器采集被測電源的電流和電壓信號，傳感器檢測到的信號以電流信號輸出給檢測電路，經(jīng)過A/V變換后，送到AD進行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，PC104計算機讀取AD輸出的數(shù)據(jù)并做相應的運算，之后將檢測結(jié)果通過網(wǎng)絡送到遠端的上位機進行實時監(jiān)視。
該系統(tǒng)還接收由遠端的上位機發(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，對某一路電源進行開/關機控制。同時通過接觸器狀態(tài)檢測電路檢測接觸器輔助觸點的狀態(tài)，觀測被控制后的接觸器是否動作，并將檢測到的狀態(tài)通過網(wǎng)絡送到遠端的上位機進行實時監(jiān)視。
2 傳感器及其檢測電路
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。兩者都是應用霍爾效應和零磁通原理的新一帶傳感器，可以在隔離條件下測量直流電壓或電流。其主要功能特點有：(1)應用了霍爾原理的閉環(huán)補償特性；(2)具有良好的線性度；(3)優(yōu)化了響應時間；(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，電流傳感器的輸入是寬范圍的直流電流信號，輸出均為4 mA~20 mA的測量信號。
2.2 電流電壓檢測電路設計
該電路由精密電阻、電容、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7891以及必要的FPGA輸出的控制信號構(gòu)成。來自傳感器的4 mA~20 mA電流檢測信號經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換成0~5 V的電壓檢測信號，經(jīng)過電容濾波后送到AD7891進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字量由PC104計算機讀取并處理。
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)換時間1．6 μs；
(3)8個具有過壓保護的模擬信號通道；
(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，適合作各種微處理器、控制器以及數(shù)字信號處理機的接口。[!--empirenews.page--]
2.3 溫度檢測電路設計
采用MAX6673溫度傳感器，溫度檢測電路如圖3所示。
溫度傳感器的1腳輸出PWM方波，通過FPGA內(nèi)部的計數(shù)器和時鐘對PWM方波的正、負脈寬進行計時，得到PWM波形中蘊涵的溫度信息，最終由PC104計算機軟件讀取并計算出溫度值，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 接觸器測控電路
3.1 接觸器控制電路設計
如圖5所示，該電路由FPGA、HC374、電阻和功率場效應晶體管IFR7380組成。來自遠端的接觸器開/關控制命令經(jīng)過FPGA 內(nèi)部的端口，送到三態(tài)鎖存器HC374，并經(jīng)過功率場效應晶體管IFR7380進行電流放大，輸出給接觸器，使接觸器吸合或者斷開。
控制電路內(nèi)部還接有撥動開關，使系統(tǒng)可以方便地實現(xiàn)本地控制和遠端遙控控制的相互切換。
IFR7380是大電流小電阻的功率場效應晶體管，它的主要性能指標有：(1)Vcc為80 V；(2)開關輸出平均電流3 A；(3)功耗2 W。
3.2 接觸器狀態(tài)檢測電路設計
接觸器狀態(tài)檢測電路如圖6所示，由電阻、電容、HC244和FPGA組成。被檢測的接觸器的輔助觸點的一端接地，另一端接到該系統(tǒng)，經(jīng)電阻上拉后輸入到HC244驅(qū)動器，經(jīng)過電容濾波去除干擾信號，再輸入到FPGA的內(nèi)部端口，由PC104計算機讀取接觸器輔助觸點的狀態(tài)，處理之后送遠端上位機的電源監(jiān)視界面。
當接觸器斷開時檢測信號為高電平，吸合時檢測信號為低電平，這種檢測方法稱之為干接點檢測法。[!--empirenews.page--]
4 系統(tǒng)軟件設計
操作系統(tǒng)選擇VxWorks實時操作系統(tǒng)，這是由WindRiver推出的一種嵌入式強實時操作系統(tǒng)[6]，它存在多任務調(diào)度的方式，可以管理多個外設，而且可根據(jù)應用程序的需求對操作系統(tǒng)進行裁剪，最大程度地壓縮代碼,實現(xiàn)程序的優(yōu)化。VxWorks因其卓越的穩(wěn)定性被首先應用于航天、導彈等尖端領域，目前使用更加廣泛[7-8]。
軟件處理流程如圖7所示，系統(tǒng)引導成功后進入用戶程序入口，首先開始任務的初始化，其主要包括初始化系統(tǒng)時鐘、讀取工作參數(shù)配置文件、控制端口復位、網(wǎng)絡初始化等。軟件通過網(wǎng)絡對外進行通信，系統(tǒng)初始化完成后要創(chuàng)建網(wǎng)絡接收任務，網(wǎng)絡接收任務創(chuàng)建完成后就開始了主任務與網(wǎng)絡接收任務的并行處理工作。
網(wǎng)絡接收任務與主任務的優(yōu)先級相同，任務切換依靠系統(tǒng)時間片輪詢來進行調(diào)度。兩個任務之間依靠信號量進行通信，網(wǎng)絡接收任務收到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行解析處理，并設置信號量以通知主任務進行相應的控制響應，其主要包括信號量復位、接觸器控制、狀態(tài)回送等。
主任務除了處理外界的控制命令外還要實時地采集16路電壓電流值、16個觸點狀態(tài)值、系統(tǒng)溫度值。主任務采集各種狀態(tài)信息后要定時把所有信息打包發(fā)送給遠端的上位機。遠端上位機上的電源測控監(jiān)視界面如圖8所示。
由嵌入式PC104計算機和模擬器件構(gòu)成的電源測控系統(tǒng)能夠精確地對供電系統(tǒng)的各種電源的電流值、電壓值進行實時監(jiān)視，并通過遠端操縱臺對這些電源進行遙控開機或者關機，能實時監(jiān)測這些電源的開機或者關機狀態(tài)。該系統(tǒng)已經(jīng)成功運用到某航管雷達的供電系統(tǒng)。
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