光纖陀螺供電電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

黨永剛+張偉

摘 要： 針對某型號光纖陀螺老煉測試需要長時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和故障保護(hù)等需求，采用工控機與MC9S12XEP100MAL單片機相結(jié)合的方案，設(shè)計光纖陀螺供電電源監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)控12路光纖陀螺供電電源的輸出電壓和輸出電流，且具有數(shù)據(jù)存儲，過壓、欠壓和過流等故障保護(hù)功能，達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，可以滿足光纖陀螺老煉測試的要求。

關(guān)鍵詞： 光纖陀螺； 電源監(jiān)控； MC9S12XEP100MAL； RS 485

中圖分類號： TN86?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0152?04

0 引 言

某型號光纖陀螺在老煉測試時往往是多個陀螺成組進(jìn)行測試，每一個陀螺都由線性隔離電源獨立供電。由于對光纖陀螺的老煉測試一般都在幾十小時，甚至上百小時不間斷，這就要求供電電源連續(xù)可靠地工作。反之，一旦電源過壓、欠壓或者過流就會損壞待測陀螺，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，對光纖陀螺供電電源進(jìn)行監(jiān)控，不僅可以實時記錄電源的輸出電壓電流，有利于分析陀螺的工作狀態(tài)，而且在電源出現(xiàn)過壓、欠壓或過流時，可以自動切斷供電電源，從而起到保護(hù)光纖陀螺的作用。

本文采用研華的Advantech IPC?610H工控機作為上位機，基于LabVIEW設(shè)計了12路陀螺電源數(shù)據(jù)監(jiān)控界面及數(shù)據(jù)存儲程序。選取MC9S12XEP100MAL單片機作為下位機監(jiān)控電路的主控芯片，實現(xiàn)了陀螺電源輸出電壓和輸出電流的實時采集，以及過壓、欠壓和過流等故障保護(hù)。采用Modbus協(xié)議的RTU模式，實現(xiàn)了上位機與下位機的數(shù)據(jù)傳輸。基于上述技術(shù)，實現(xiàn)了12路光纖陀螺供電電源輸出電流和電壓的實時監(jiān)控。

1 光纖陀螺供電電源監(jiān)控系統(tǒng)方案

1.1 技術(shù)要求

光纖陀螺供電電源監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠監(jiān)控12個光纖陀螺供電電源。這12個電源均采用朝陽4NIC?X20線性電源，各電源獨立隔離供電。4NIC?X20線性電源的輸入為AC 220 V，輸出電壓為+5 V和-5 V，兩路的輸出電流最大均為2 A。

具體的技術(shù)要求如下：

（1） 同時監(jiān)控12個光纖陀螺供電電源；

（2） 每一個陀螺供電電源的輸出電壓和輸出電流采樣必須為隔離采樣；

（3） 一旦某個電源出現(xiàn)過壓、過流或欠壓故障，電源監(jiān)測系統(tǒng)立即切斷該電源的AC 220 V輸入，同時進(jìn)行聲音報警（只有排除故障后，供電系統(tǒng)重新上電才可以恢復(fù)供電）；

（4） 上位機實時顯示陀螺電源的輸出電壓和電流，并實時記錄各電源的輸出電壓、電流。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)光纖陀螺供電電源監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)要求，光纖陀螺供電電源監(jiān)測系統(tǒng)方案[1?2]設(shè)計如圖1所示。

圖1 光纖陀螺供電電源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，AC 220 V交流電通過繼電器組控制后為12個光纖陀螺電源供電。監(jiān)控電路分為3組，每組監(jiān)控4個電源，共同檢測12個電源的輸出電流和電壓，一旦檢測到某個電源出現(xiàn)過壓、過流或欠壓等故障，則可以通過控制相應(yīng)的繼電器實現(xiàn)AC 220 V交流供電的自動切斷，起到保護(hù)光纖陀螺的作用。

3組監(jiān)控電路再通過RS 485網(wǎng)絡(luò)連接至上位機，實現(xiàn)陀螺電源輸出電壓、電流數(shù)據(jù)的上傳。RS 485串行數(shù)據(jù)通信卡選用研華的8端口RS 422/485通用PCI 通信卡PCI?1622CU。上位機采用研華的Advantech IPC?610H工控機，實現(xiàn)陀螺電源電壓、電流數(shù)據(jù)的接收、顯示、報警和存儲。

2 監(jiān)控電路設(shè)計

光纖陀螺供電電源監(jiān)控電路主要由電流、電壓隔離采樣電路、A/D采樣電路、單片機及其外圍電路、RS 485隔離通信電路、繼電器控制電路和繼電器組構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 電源監(jiān)控電路組成

在圖2中，每一組監(jiān)控電路可以監(jiān)控4個陀螺電源。由于每個陀螺電源輸出為+5 V和-5 V兩路電壓，監(jiān)控電路需要對8路電壓信號和8路電流信號進(jìn)行隔離采樣。

2.1 單片機選型

選擇飛思卡爾MC9S12XEP100MAL單片機作為監(jiān)控電路主控芯片。MC9S12XEP100MAL單片機是飛思卡爾16位單片機，最高總線頻率可達(dá)50 MHz，具有16個模擬量輸入通道，轉(zhuǎn)換精度為12位，可以滿足監(jiān)控電路對8路電壓信號和8路電流信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的需要。

2.2 隔離采樣電路設(shè)計

電壓采樣電路選取BB公司的變壓器隔離放大電路ISO124進(jìn)行陀螺電源輸出電壓的隔離采樣，具體的電路圖如圖3所示。

圖3 ISO124隔離電壓采樣電路

ISO124為精密變壓器隔離運放，放大倍數(shù)為1∶1，非常適合陀螺電源輸出+5 V電壓的隔離采樣。

電流采樣電路選取LEM公司LA25?NP/SP7霍爾電流傳感器進(jìn)行電流信號的隔離采樣，具體的采樣電路如圖4所示。

圖4 電流隔離采樣電路

LA25?NP/SP7霍爾電流傳感器的變比為1∶100，原邊額定電流為2.5 A，最高測量頻率為150 kHz。

在圖4中，電阻R3取值為200 Ω，則可以計算出當(dāng)原邊輸入電流為2 A時，輸出電流信號If1為4 V。

2.3 RS 485通信電路設(shè)計

為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，選取集成光電隔離功能的ADM2484作為RS 485通信電路的電平轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計好的隔離通信電路如圖5所示。

2.4 保護(hù)電路設(shè)計

為了確保光纖陀螺安全可靠地運行，設(shè)計了如圖6所示的過壓、過流和欠壓保護(hù)電路。

圖5 RS 485隔離通信電路

圖6 過壓、過流和欠壓保護(hù)電路

在圖6中，輸出電壓的過壓值設(shè)置為+5.5 V，欠壓值設(shè)置為+4.5 V，過流值設(shè)置為2 A。

當(dāng)監(jiān)控電路檢測到某個陀螺電源出現(xiàn)過壓、過流或欠壓等故障時，單片機將對應(yīng)的I/O端口輸出信號IOPA1置為低電平，則光電耦合器TLP121輸出為高電平，使晶體管Q1導(dǎo)通，繼電器JDQ2的線圈得電，其常閉觸點JDQ1斷開，切斷該陀螺電源的AC 220 V輸入，從而實現(xiàn)陀螺電源出現(xiàn)過壓、過流或欠壓等故障保護(hù)。一旦陀螺電源保護(hù)，只有整個陀螺電源供電模塊重新上電才可以恢復(fù)供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機監(jiān)控軟件及監(jiān)控界面設(shè)計、通信協(xié)議設(shè)計和下位機軟件設(shè)計三部分。

3.1 上位機軟件設(shè)計

采用LabVIEW 2013來設(shè)計測控軟件的上位機界面以及與下機位的通信程序。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面，快速輕松采集實際信號、進(jìn)行分析以確定有用的數(shù)據(jù)、通信或存儲結(jié)果[3?4]。設(shè)計好的上位機光纖陀螺供電電源監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7 光纖陀螺供電電源監(jiān)控界面

在圖7中，系統(tǒng)可以同時監(jiān)控12個光纖陀螺供電電源的+5 V輸出電壓和輸出電流，-5 V輸出電壓和輸出電流，并且顯示電源的當(dāng)前工作狀態(tài)，是否出現(xiàn)過壓、過流和欠壓等故障；一旦出現(xiàn)故障，相應(yīng)的指示燈會由綠色變?yōu)榧t色。

3.2 通信協(xié)議

工控機與下位機單片機之間的通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議中的RTU傳輸模式，波特率為38 400 b/s。其中，工控機作為主機，光纖陀螺供電電源監(jiān)控電路1～3為從機[5?6]。

3.3 下位機軟件設(shè)計

下位機軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)上電初始化子程序、10 ms中斷子程序，串口數(shù)據(jù)發(fā)送/接收中斷子程序三部分。

（1） 上電初始化子程序。系統(tǒng)上電后，首先需要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化設(shè)置，包括MC9S12XEP100MAL單片機處理器初始化、A/D采樣模塊初始化、10 ms定時中斷模塊初始化，以及RS 485串行接口的初始化。初始化程序流程如圖8所示。

圖8 上電初始化子程序

（2） 10 ms中斷子程序。在10 ms中斷子程序中，主要完成4個陀螺電源的8個電壓信號和8個電流信號的采集。10 ms中斷子程序流程如圖9所示。

圖9 10 ms中斷子程序

在圖9中，當(dāng)10 ms中斷產(chǎn)生進(jìn)入中斷子程序，單片機對16個A/D通道順序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并對轉(zhuǎn)換后的電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將其存入對應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待上位機請求數(shù)據(jù)時通過串口發(fā)送返回。電流電壓數(shù)據(jù)處理主要包括將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果變換成對應(yīng)的實際電流電壓值，以及進(jìn)行電壓的過壓、欠壓判斷，電流的過流判斷。一旦出現(xiàn)過壓、欠壓或過流等故障，單片機立即啟動保護(hù)電路切斷陀螺電源的AC 220 V輸入。

（3） 串口數(shù)據(jù)發(fā)送/接收中斷子程序。工控機與3路監(jiān)控電路之間的通信采用主從通信模式，即工控機向3路監(jiān)控電路發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，監(jiān)控電路在響應(yīng)主機請求時返回8路電壓信號數(shù)據(jù)、8路電流信號數(shù)據(jù)和陀螺電源的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了減少串口數(shù)據(jù)發(fā)送/接收對單片機資源的占用，提高處理的效率，系統(tǒng)采用中斷的方式完成串口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。串口中斷服務(wù)程序流程如圖10所示。在圖10中，當(dāng)串口中斷產(chǎn)生時，串口中斷服務(wù)程序首先判斷串口中斷的來源，進(jìn)入串行數(shù)據(jù)接收或串行數(shù)據(jù)發(fā)送子程序。發(fā)送數(shù)據(jù)時， 從系統(tǒng)的發(fā)送緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)，寫入相應(yīng)的串口寄存器發(fā)送；接收數(shù)據(jù)時，從相應(yīng)的串口寄存器讀入數(shù)據(jù)， 寫入系統(tǒng)的接收緩存區(qū)。

3.4 數(shù)據(jù)存儲

工控機接收到監(jiān)控電路返回的電流電壓數(shù)據(jù)后，除了將數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控界面中，還定時將數(shù)據(jù)以Excel文件的格式存儲到工控機的硬盤中，以備陀螺電源運行數(shù)據(jù)的查詢。其中，數(shù)據(jù)存儲時間為10 s。

4 結(jié) 論

本文采用工控機與MC9S12XEP100MAL單片機相結(jié)合的方案，基于LabVIEW編程技術(shù)、隔離信號采樣技術(shù)，以及RS 485串行通信等技術(shù)，實現(xiàn)了光纖陀螺供電電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)可以同時監(jiān)控12路光纖陀螺供電電源的輸出電壓和輸出電流，且具有數(shù)據(jù)存儲，過壓、欠壓和過流等故障保護(hù)功能?，F(xiàn)場實際應(yīng)用表明，該光纖陀螺供電電源監(jiān)控系統(tǒng)電流、電壓采樣精度高，數(shù)據(jù)采集和顯示實時性好，故障保護(hù)功能可靠，滿足了光纖陀螺老煉測試需要長時間監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄分析和故障保護(hù)的要求，達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。

圖10 串口數(shù)據(jù)發(fā)送/接收中斷子程序

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