低電壓輸出直流電源的測試?yán)匣到y(tǒng)

冉 霞

（1.瓦斯災(zāi)害與應(yīng)急信息技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶,400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶,400039）

0 引言

KJ90N 系列礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，主要應(yīng)用于煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)測監(jiān)控，是集環(huán)境安全、生產(chǎn)監(jiān)控、信息管理和多種子系統(tǒng)為一體的分布式煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)。KJ90NA/NB 系統(tǒng)主要由中心站主機(jī)、監(jiān)控分站、防爆電源、各種傳感器等設(shè)備組成，其中，防爆電源輸出本質(zhì)安全型直流穩(wěn)壓電源（簡稱本安電源），給該系統(tǒng)的各種設(shè)備提供電源。以KDW0.3/660(A/B)型礦用隔爆兼本安直流穩(wěn)壓電源為例，其輸出的本安電源主要包括5VDC、12VDC、18VDC、24VDC 等4 檔。當(dāng)本安電源裝配完畢之后，為了提高其可靠性、降低失效率，需要在生產(chǎn)過程中進(jìn)行相關(guān)的測試與老化工作。

舊有本安電源電路板測試?yán)匣姆绞饺缦?，首先工人對電源板進(jìn)行手動測試，然后置入專用的防爆電源箱體中進(jìn)行老化，最后再次對老化之后的電源板進(jìn)行手動測試復(fù)檢。該測試方式除了不便于發(fā)現(xiàn)硬件的潛伏缺陷之外，還存在操作不便，占用大量人力、物力等資源，占地面積多、易被負(fù)載電阻燙傷等缺陷，因此，為了滿足安全生產(chǎn)和增質(zhì)降耗等相關(guān)要求，筆者設(shè)計出一種可靠性好、能自動判斷報警的測試?yán)匣到y(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計分析

為了解決舊有的本安電源電路板測試?yán)匣南嚓P(guān)缺陷，本設(shè)計首先提出四大設(shè)計要點(diǎn)，即符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及安全、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、智能監(jiān)控等。具體設(shè)計要點(diǎn)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

2 系統(tǒng)工作原理

本測試?yán)匣到y(tǒng)主要由上位機(jī)和本安電源測試?yán)匣b置組成，其中，本安電源測試?yán)匣b置主要包括中位機(jī)、測試?yán)匣瘑卧?、供電單元等部分，測試?yán)匣瘑卧尤霚y試?yán)匣?V、12V、18V、24V 電源板；供電單元給被測試?yán)匣碾娫窗澹ㄒ韵潞喎Q受試電源板）提供安全的直流電源。

中位機(jī)采集電源板的輸出電壓電流參數(shù)，并顯示相關(guān)的參數(shù)信息，同時將參數(shù)通過RS485 通訊上傳至上位機(jī)中心站軟件進(jìn)行處理，同時本地判斷所有的電源板是否工作正常，若出現(xiàn)不正常的電源板將關(guān)閉該路電源的輸入，同時進(jìn)行該路電源故障的報警。

上位機(jī)中心站軟件顯示所有受試電源板的參數(shù)信息，并選擇受試電源板電壓類型。如果上位機(jī)軟件顯示的電源板參數(shù)不在所期望的參數(shù)范圍內(nèi)，那么上位機(jī)軟件就會自動判斷其發(fā)生故障，同時會對出現(xiàn)故障的受試電源板進(jìn)行報警提示，自動記錄相關(guān)參數(shù)并且保存到數(shù)據(jù)庫中，提示生產(chǎn)人員對出現(xiàn)故障的受試電源板進(jìn)行檢查維修，直至所有批量生產(chǎn)的受試電源板合格入庫。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

3 測試?yán)匣b置硬件設(shè)計

測試?yán)匣b置的硬件以高性能16 位數(shù)字控制器dsPIC33EP128MC204 為核心，主要包括數(shù)字處理器單元、電源供電單元、電源輸入控制單元、測試?yán)匣瘑卧⒉蓸訂卧?、?fù)載控制單元，以及通訊單元、報警單元、顯示單元等結(jié)構(gòu)。測試?yán)匣b置硬件電路工作原理如圖2 所示。

安全柵輸出的電源經(jīng)過開關(guān)電源電路穩(wěn)壓之后，將電壓由DC24 V降低為5V，再經(jīng)過第二級LDO降壓芯片穩(wěn)壓為3.3 V之后，輸出電源給控制器供電。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 測試?yán)匣b置硬件電路工作原理框圖

數(shù)字處理器采集受試電源板的各級電壓、各級電流等關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，通過液晶顯示屏、LED 狀態(tài)指示燈等進(jìn)行狀態(tài)顯示；發(fā)生故障時進(jìn)行顯示報警，同時蜂鳴器進(jìn)行聲音提醒；相關(guān)指標(biāo)參數(shù)通過RS485 通訊單元上傳至上位機(jī)。

外部供電電源經(jīng)過開關(guān)電源和安全柵電路，給受試電源板供電；數(shù)字控制器通過電源輸入控制單元分別控制每路受試電源板的啟停，處理器通過采集電路采集受試電源板及其負(fù)載電阻的溫度，實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的溫度狀態(tài)，當(dāng)接入的受試電源板發(fā)生故障時，上傳報警信息，并切斷輸入電源。

3.1 采集電路

采集電路實(shí)時采集每路受試電源板的電壓、電流及溫度參數(shù)，保證每路受試電源板的工作正常，同時采集系統(tǒng)總體的溫度，依次作為調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)量大小的依據(jù)。

每路受試電源板需要采集3 個參數(shù)，其中，電壓采集可直接通過采樣電阻分壓而得；電流采集通過采樣電阻獲得電壓信息，再進(jìn)入采集信號運(yùn)算放大電路中進(jìn)行信號放大；溫度采集可通過NTC 熱敏電阻和電阻分壓獲得。由于本設(shè)計同時測試?yán)匣?4路受試電源板，故需要采集192 個參數(shù)，再加上系統(tǒng)的總體溫度，則采集的參數(shù)達(dá)到了193 個。因此，采用多路選擇開關(guān)芯片CD4051 來減少占用數(shù)字控制器IO 管腳的數(shù)目，同時采用多路、多級的選擇開關(guān)芯片之后，進(jìn)入數(shù)字控制器IO 管腳進(jìn)行A/D 采樣及內(nèi)部分析處理。

電流采集信號運(yùn)算放大電路如圖3 所示，多路選擇開關(guān)電路如圖4 所示。

圖3 電流采集信號運(yùn)算放大電路

圖4 多路選擇開關(guān)電路

3.2 控制電路

圖5 RS485 通訊電路

電源輸入控制功能是當(dāng)受試電源板發(fā)生故障或者需要斷開電源時，數(shù)字控制器輸出隔離信號，并經(jīng)過繼電器來斷開受試電源板的所有輸入電源，避免出現(xiàn)不應(yīng)有的安全隱患。

由于該測試?yán)匣b置集成5V、12V、18V、24V 等多種受試電源板為一體，每一種受試電源板的測試及老化參數(shù)不一致，其所接負(fù)載電阻也不一樣，因此，本設(shè)計通過負(fù)載控制單元調(diào)節(jié)每種受試電源板的負(fù)載類型。當(dāng)然，同一批上線的受試電源板的電壓輸出等級最好相同，這樣有利于方便、快速、準(zhǔn)確、安全的進(jìn)行生產(chǎn)和質(zhì)檢。

3.3 通訊電路

RS485 通訊實(shí)現(xiàn)微處理器與中位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，將微處理器采集的數(shù)據(jù)信息上傳至中位機(jī)，并將執(zhí)行中位機(jī)的控制指令。RS485 通訊轉(zhuǎn)換采用差分?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)器芯片SN65LBC184 來完成。為了防止較大的浪涌能量損壞器件，采用和隔離和過壓的保護(hù)方式來實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)中心站軟件通過RS485 通訊電路下發(fā)讀取以及控制指令給硬件電路，硬件電路單片機(jī)收到指令后，便把采集到的參數(shù)值和控制反饋命令通過RS485 通訊電路上傳至上位機(jī)中心站軟件，從而完成相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。RS485 通訊電路工作原理如圖5 所示。

4 中位機(jī)軟件設(shè)計

中位機(jī)的軟件程序主要包括主程序、與上位機(jī)通訊中斷服務(wù)子程序等。在主程序中，包括初始化、顯示狀態(tài)、巡檢測試單元數(shù)據(jù)、判斷相關(guān)數(shù)據(jù)是否正常、與上位機(jī)通信、冷卻風(fēng)扇風(fēng)量控制等。其中，冷卻風(fēng)扇風(fēng)量控制是為了使用安全和保護(hù)裝置，程序依據(jù)系統(tǒng)的溫度狀態(tài)來調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)量的大小，使系統(tǒng)溫度保持在正常的范圍內(nèi)。

當(dāng)有上位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)生通訊時，進(jìn)入通訊中斷服務(wù)子程序。在本通訊子程序中，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時不允許中斷，故首先清除中斷標(biāo)志并禁止中斷，再讀取上位機(jī)下發(fā)的通訊數(shù)據(jù)，并回發(fā)數(shù)據(jù)至上位機(jī)，最后再次開啟中斷。中位機(jī)流程如圖6 所示。

5 其他

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件開發(fā)是基于Visual Studio 2012 為開發(fā)平臺，主要功能模塊包括：RS485 通訊、數(shù)據(jù)分析處理、電壓值實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)打印、聲光報警等。

為減少受試電源板所占用的空間面積，系統(tǒng)裝置設(shè)計采用了小巧型立體式的柜式結(jié)構(gòu)，大大降低了測試?yán)匣加玫能囬g空間面積，并且還配有散熱風(fēng)扇，使受試電源板在測試?yán)匣陂g散發(fā)的熱量都通過散熱風(fēng)扇散熱出去。

6 應(yīng)用

圖6 中位機(jī)程序流程

經(jīng)過半年多的運(yùn)行測試表明，系統(tǒng)各模塊正常工作，軟硬件工作均穩(wěn)定可靠，匯總連續(xù)6 個月本安電源的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對比實(shí)施本系統(tǒng)前后的生產(chǎn)周期，發(fā)現(xiàn)其對測試?yán)匣霈F(xiàn)的故障周期由7 天縮短為4 天。同時，該系統(tǒng)具有工作可靠性高、穩(wěn)定性好、安全高效等特點(diǎn)，本安電源測試?yán)匣b置占地面積只有0.315m2，大大節(jié)省了實(shí)際的占用空間和面積。

7 結(jié)語

綜上所述，基于本安型直流電源的測試?yán)匣到y(tǒng)，是基于16位DSP 技術(shù)的中位機(jī)硬件設(shè)計，合理設(shè)計了一系列外圍電路接口，采用C#.NET 技術(shù)的上位機(jī)軟件開發(fā)，與上位機(jī)軟件的配套使用，能實(shí)現(xiàn)自動測試及老化本安電源。本系統(tǒng)簡化了電源板檢驗(yàn)以及老化的流程，提升了測試?yán)匣男?，縮短了生產(chǎn)周期；能進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、故障預(yù)警、故障提示、智能關(guān)機(jī)等功能，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的智能化；具有工作可靠性高、穩(wěn)定性好、安全高效等特點(diǎn)，同時也降低了生產(chǎn)成本。該設(shè)計應(yīng)用對于其他低電壓輸出電源的測試及老化也具有較好的借鑒作用。

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