故障監測系繞的方案設計

　　對于測試設各和某控制系統" title="控制系統">控制系統，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發出控制信號、發送數據及接收控制系統返回的狀態信號均通過電纜傳輸，因此，綜合測試設各和控制系統在各測試步驟中的工作狀態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系統總體設計方案

　　在設備連接關系上，故障監測診斷系統通過信號轉接箱與控制系統以及綜合測試設備相連，當測試設備對控制系統進行綜合測試時，信號轉接箱將控制系統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總線向數據采集板發出控制指令，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。

　　針對測試設備監測信號具有種類多、數量大的特殊性，結合基于PC104總線的嵌入式CPU主板和數據采集板的結構特點，系統采用技術成熟的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作為拜發平臺，外加上自行開發的外圍信號調理電路和接口模塊，運用模塊化設計思想，實現了故障監測診斷系統所要求的功能。

　　開關量測量模塊的設計

　　本系統需要采集的開關信號有50路，其平時狀態為低電平（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為15V，31路信號的高電平狀態為5V。

　　隔離電路的設計

　　系統的隔離測試和電平轉換功能的實現主要是通過光電隔離芯片TLP521-4L來完成的。考慮到引人的數字信號驅動能力有限，為了減少監測診斷系統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。當監測診斷系統需要采集數據時，PC104計算機通過PC總線分別向3片82C55發出控制指令，讀取相應的數字采集通道，實現開關信號的采集。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

　　經分析總結發現：當測試設備工作時，通過檢測其64路電壓信號可全面監測到各功能模塊的電壓和電阻狀態參數，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的并聯阻抗為Z2，R1C1的并聯阻抗為Z1，當衰減器元件參數滿足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。

圖3 改進分壓網絡

　　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電壓信號的隔離、本系統采用了美ffino公司生產的高速耦合隔離放大器AD215芯片來實現電壓信號的線性隔離。設計＋AD215主要是用來實現信號隔離，因此其放大倍數設為1:1。

　　電壓信號的測量

　　雖然測試設備待測電壓路數較多，但其產生的電壓都是順序執行的信號，考慮到線形光隔AD215和A/D板DIAMOND－MM AT的費用較高，為降低開發成本、簡化電路設計和縮小電路板體積，本監測診斷系統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。

圖4電壓信號采集原理框圖

　　時間測昱摸塊的設計

　　根據測試設備的工作情況，本監測診斷系統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位計數器級聯成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，系統通過將計數器1和計數器2級聯，即將計數器l的OUT1接至計數器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。通過設定計數器2的初始計數值并在計數結束后讀取其計數值，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

　　由于ONYX－MM-xr板上自帶的標準輸入時鐘頻率為4MHz，而系統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30的測量，由此可得定時器的計數值為：

　　設計上仍是按圖8將計數器1、2級聯作為定時器，每到0.01s就觸發中斷INT7，其工作方式設置如下：計數器1工作于方式2，計數器2工作于方式0。設計數器1的計數初值為NI，計數器2的計數初值為N2，只要保證N1×N2＝40000，然后將各自的計數初值送入相應的寄存器、打開門控信號并啟動計數器即可實現定時。

　　測頻" title="測頻">測頻的實現

　　根據系統的設計要求，結合被測頻率信號的特點，各計數器的工作方式分別設定為：計數器0工作于方式4、計數器1工作于方式2、計數器2工作于方式0。其中，計數器0的CLK0端接被測頻輒作為事件計數器，計數器1的CLK1端接4MHz的標準輸入時鐘頻率f0，計數器l與計數器2形成串聯結構作為定時器，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為計數器0的當前計數值，OxFFFF為計數器0的計數初值。頻率信號測量的原理如圖5所示。

　　結論

　　通過將故障監測診斷系統與測試設備進行了聯機通電測試，并對多次測量結果進行分析，結果表明系統實際測得的參數值和綜合測試設備的標準參數值非常接近，滿足了對測試設各各參數進行監測的需要，達到了測試設備故障監測診斷系統的設計指標要求。