軍用車載電源異常電壓監(jiān)測模塊的研制

劉長明，沈小林，王　凡

（中北大學(xué)，太原　030051）

軍用車載電源異常電壓監(jiān)測模塊的研制

劉長明，沈小林，王凡

（中北大學(xué)，太原030051）

摘要：對由蓄電池供電的某軍用特種車輛供電系統(tǒng)的異常電源信號進行監(jiān)測模塊的設(shè)計，為系統(tǒng)控制終端進行分析及故障排除提供參考數(shù)據(jù)。監(jiān)測模塊采用C8051F040單片機為控制核心，通過對“系統(tǒng)DC26V”和“系統(tǒng)DC5V”電源進行監(jiān)測，記錄超出正常范圍的異常電壓值，并可以通過RS-485通信方式將異常數(shù)據(jù)上傳到控制終端。該模塊具有體積小，采集速度快，記錄時間標(biāo)記和運行穩(wěn)定的特點。通過實際應(yīng)用證明可以準(zhǔn)確地記錄各種在運行過程中電源異常的情況。

關(guān)鍵詞：C8051F040，監(jiān)測模塊，隔離，RS-485

0　引言

軍用特種車輛的電氣控制部分大多都是由蓄電池供電，系統(tǒng)中各執(zhí)行、驅(qū)動、控制設(shè)備較多，電氣連接比較復(fù)雜。在系統(tǒng)正常運行的時候各運行設(shè)備之間的開啟、關(guān)閉和執(zhí)行各種動作，經(jīng)常會引起系統(tǒng)電源的波動。尤其是在電氣控制部分的聯(lián)合調(diào)試階段解決一些不容易復(fù)現(xiàn)的故障的時候，主要問題出現(xiàn)在電氣設(shè)備的哪一方經(jīng)常很難以判定。如果是設(shè)備本身硬件軟件的漏洞可以改進設(shè)計方法解決，這種情況也很有可能是因為對電源波動所引起，所以要首先排除電源的干擾才能判斷是否為設(shè)備本身的問題。例如在系統(tǒng)運行的過程中大型設(shè)備的動作會給電源帶來異常的尖峰脈沖，這種脈沖有正有負(fù)，一般來說這些脈沖持續(xù)時間較短，大部分都可以通過電源的去耦和濾波電路將危險消除［1］。但是如果出現(xiàn)較大的脈沖干擾就有可能影響到系統(tǒng)中的某個設(shè)備的正常運行，導(dǎo)致通信錯誤或動作故障［2］。本文介紹的車載電源異常監(jiān)測模塊的設(shè)計就是為了解決這一問題，以幫助設(shè)計調(diào)試工程師對系統(tǒng)的故障排除。

異常電壓監(jiān)測模塊安裝在車輛中關(guān)鍵設(shè)備中，如炮長顯示器中對系統(tǒng)DC26V和DC5V電壓進行采集。模塊與設(shè)備通過串口RS232上傳異常電壓值，并且對監(jiān)測電源進行隔離，雖然對系統(tǒng)中電壓的采集僅是分析變化趨勢，為了保證數(shù)據(jù)的分析可靠性，監(jiān)測電壓的采樣時間設(shè)置為1 ms，經(jīng)過實驗證明車載電源異常電壓監(jiān)測模塊可以對系統(tǒng)電壓的波動進行捕捉存儲。

1　系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

模塊功能結(jié)構(gòu)如圖1所示：監(jiān)測模塊分為電源部分，控制器部分，A/D數(shù)據(jù)采集部分，實時時鐘部分，存儲器部分，上位機通信部分，下面分別介紹各部分的設(shè)計。

圖1　異常監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)圖

（1）整個控制系統(tǒng)是由DC26V蓄電池供電，本設(shè)計的監(jiān)測模塊是對DC26V和DC5V同時監(jiān)測，系統(tǒng)正常工作電壓范圍是在DC21V-DC30V之間。系統(tǒng)電源及監(jiān)測模塊電源組成如圖1所示，“系統(tǒng)DC26V”是對整個車載系統(tǒng)中各執(zhí)行設(shè)備供電，“系統(tǒng)DC5V”是通過DC-DC電平轉(zhuǎn)換芯片將“系統(tǒng)DC26V”變換后對整個車載系統(tǒng)微控制器電路供電，所以“系統(tǒng)DC5V”要比“系統(tǒng)DC26V”要相對穩(wěn)定，為了保證監(jiān)測無誤，模塊對DC26V及DC5V同時監(jiān)測。而監(jiān)測模塊沒有獨立的電源供電，所以仍需要用到“系統(tǒng)DC26V”供電，如果不做任何處理直接連接，系統(tǒng)的電源受到干擾同樣也會影響到監(jiān)測模塊的正常運行，所以監(jiān)測功能也就不能得以實現(xiàn)。為了不受到“系統(tǒng)DC26V”的影響，所在監(jiān)測模塊的電源接入端增加一個具有寬電壓輸入隔離功能的DCDC電源模塊VRB2405D，該電源模塊是（2：1）寬電壓輸入，隔離電壓DC1500V，實際測試時當(dāng)電壓降低到DC9V時監(jiān)測模塊仍能正常工作。隔離目的是“系統(tǒng)DC26V”與監(jiān)測模塊電氣隔離減少系統(tǒng)電源不穩(wěn)定對監(jiān)測模塊的影響；寬電壓輸入目的是即使系統(tǒng)電源有較大的波動也不會影響VRB2405D電源模塊的正常穩(wěn)定輸出DC5V電壓，所以可見該電源模塊可以滿足應(yīng)用要求。監(jiān)測模塊上的電源是經(jīng)過電源模塊輸出的DC5V再經(jīng)過LM1117輸出DC3.3V給監(jiān)測模塊控制電路供電。C8051F040單片機集成了AD功能，但是因為采集信號與監(jiān)測模塊電氣隔離，所以不能采用單片機的AD通道。如果要實現(xiàn)采集功能監(jiān)測模塊中就需要設(shè)計隔離的AD采集電路，AD采集是由“系統(tǒng)DC5V”供電，兩路AD分別采集“系統(tǒng)DC26V”和“系統(tǒng)DC5V”，在數(shù)字輸出端經(jīng)過雙通道雙向高速數(shù)字光耦A(yù)CSL-6210連接到單片機上［3］。

圖2　系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)

（2）控制器選擇的是Silicon Lab的C8051F040單片機為控制核心，這是一款增強型單片機。有豐富的片上外圍，芯片上集成了64個IO端口，外部存儲器訪問接口，12位ADC，12位的DAC，比較器，IIC，SPI，UART，CAN等通信總線，5個16位定時器，20個中斷源等。在本設(shè)計中主要用到兩路A/D轉(zhuǎn)換接口分別采集DC26V和DC5V的電壓值，當(dāng)采集的電壓值超出正常范圍將其存入存儲器中；外部存儲器訪問接口連接片外存儲器芯片，用來將異常數(shù)據(jù)存儲到存儲器中或者從存儲器讀出異常數(shù)據(jù)記錄；IIC通信接口用來連接實時時鐘模塊，以得到電源發(fā)生異常的時間同異常數(shù)據(jù)一起存入存儲器中；UART通信接口用來與上位機進行數(shù)據(jù)通信，上位機可以通過發(fā)送查詢命令來檢索在存儲器中記錄的異常數(shù)據(jù)［4］。

（3）監(jiān)測模塊AD采集電路選擇的是AD7991 YRJZ-0500RL7芯片，該芯片具有I2C兼容接口的12bit、低功耗、逐次逼近型ADC。器件均采用單電源工作，電源電壓為2.7 V～5.5 V，并且轉(zhuǎn)換時間為1 μs。VREF引腳外接2.5 V的穩(wěn)壓管提供DC2.5V的參考電壓；對于采集的“系統(tǒng)DC26V”和“系統(tǒng)DC5V”的電壓信號采用電阻分壓的方式將信號電壓降到參考電壓范圍之內(nèi)；轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出經(jīng)過雙向光耦連接到單片機的IIC接口上。

由于可以影響到系統(tǒng)電源正常運行的脈沖信號時間較短一般為ms級，但又不是一個極短的瞬間脈沖，多次模擬實驗后將單片機對于信號采樣周期定為200 ns。這樣可以保證采集到一定數(shù)據(jù)量，方便電源異常的分析。由于系統(tǒng)規(guī)定正常工作電壓范圍是在DC21V-DC30V之間，所以在采集記錄的過程中模塊只記錄小于DC21V或者大于DC30V超出正常工作范圍的異常脈沖，對于在范圍之內(nèi)的波動不記錄。但是實際應(yīng)用過程中蓄電池的電量會隨著使用的時間下降，輸出的電壓也會降低。當(dāng)其電壓降到DC21V以下在DC18V以上系統(tǒng)還是可以正常工作的，由于電壓低于規(guī)定正常范圍，如果要記錄的話數(shù)據(jù)量會很大也沒有參考分析價值，這種情況下的采集結(jié)果就不能被視為異常數(shù)據(jù)。所以在軟件設(shè)計時要考慮模塊能否識別是異常低壓脈沖還是低壓正常運行。具體方法是可以從圖3中所示，同樣在時間T內(nèi)如果是負(fù)脈沖結(jié)束后會有一個回到正常電壓范圍過程；而低壓運行在一定數(shù)據(jù)量內(nèi)將一直保持一個值（由于采樣周期較短）而不能回到正常電壓范圍，所以對于這種類型記錄模塊將自動刪除。

圖3　異常負(fù)脈沖和低壓運行示意圖

（4）在車載系統(tǒng)調(diào)試過程中，即使出現(xiàn)故障也要等設(shè)定動作執(zhí)行完畢才能進行分析，調(diào)試人員只能記錄發(fā)生故障的大致時間，所以監(jiān)測模塊中就要具有時間定位的功能，可以根據(jù)異常記錄中的時間標(biāo)記來確定故障原因是否為電源波動造成。實時時鐘模塊選擇的是SD2405ALPI時鐘芯片，該芯片是一種內(nèi)置晶振、充電電池、具有標(biāo)準(zhǔn)IIC接口的實時時鐘芯片可保證時鐘精度為±5 ppm（在25℃± 1℃下），即年誤差小于2.5 min。讀取的時鐘數(shù)據(jù)主要是在記錄異常數(shù)據(jù)的時候標(biāo)注具體發(fā)生異常的時間，在存儲器中時間數(shù)據(jù)存放在異常數(shù)據(jù)之前。

（5）存儲器選擇的是Ramtron國際公司的1MB鐵電存儲器FM20L08，該存儲器是一款并行訪問方式的存儲器，是一款高速存儲器。存儲器內(nèi)部分為8 塊128 KB的SRAM，其讀寫操作與標(biāo)準(zhǔn)SRAM相同。訪問進入時間為60 ns。高速的頁模式操作總線速度最高可達到33 MHz，4字節(jié)脈沖。寫操作無延時，也沒有最大寫操作緩沖大小限制。FM20L08工業(yè)型溫度（-40℃到+85℃）工業(yè)型讀寫周期為（cycle time）為350 ns。

高速存儲器FM20L08與C8051F040單片機的外部數(shù)據(jù)存儲器接口連接，采用復(fù)用方式訪問存儲器。由于系統(tǒng)采樣周期較快所以選擇高速的存儲器盡量減少存儲及讀出的時間消耗。在采集異常數(shù)據(jù)的時候，由于每條異常數(shù)據(jù)的個數(shù)不是固定的數(shù)值，所以在保存數(shù)據(jù)之前要設(shè)計合理的存儲格式及報文格式，如圖4所示，開始為一個字節(jié)的報頭，接著7個字節(jié)的時間數(shù)據(jù)（BCD碼格式），后面是采集到的多個字節(jié)的異常數(shù)據(jù)，最后是一個字節(jié)的報尾。存儲器內(nèi)部分為8塊128KB的SRAM，前4塊SRAM記錄的是“系統(tǒng)DC26V”的異常數(shù)據(jù)，后4塊SRAM記錄的是“系統(tǒng)DC5V”的異常數(shù)據(jù)。為了方便記錄存儲位置即數(shù)據(jù)指針，在第1塊和第4塊128KB的SRAM的第一個字節(jié)記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲的SRAM塊數(shù)，第二第三個字節(jié)記錄當(dāng)前SRAM塊內(nèi)存儲位置的數(shù)據(jù)指針，從第4個字節(jié)開始存放異常數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)上傳時，單片機要先讀取數(shù)據(jù)指針，找到最新記錄數(shù)據(jù)位置，然后根據(jù)報頭和報尾的標(biāo)志找到要查詢的記錄上傳給上位機。

圖4　異常數(shù)據(jù)存儲格式及報文格式

（6）考慮到差分方式RS-485通信要比RS-232穩(wěn)定，所以為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率模塊和上位機采用RS-485方式連接。在單片機的UART串行通信端口上連接了一個MAX485芯片連接到上位機的通信端口上，這樣上位機可以通過軟件來訪問監(jiān)測模塊，讀取記錄的異常數(shù)據(jù)，如下頁圖5中記錄的是一次系統(tǒng)掉電的數(shù)據(jù)。可見數(shù)據(jù)量可以滿足對系統(tǒng)電源波動的分析。

2　結(jié)論

圖5　上位機數(shù)據(jù)通信軟件界面

電源異常監(jiān)測模塊將監(jiān)測的電源信號與該模塊電氣上相互隔離，抑制了電源波動導(dǎo)致的監(jiān)測模塊不穩(wěn)定的因素；高速存儲器存儲功能有助于提高模塊的采樣速率，優(yōu)化了模塊協(xié)調(diào)工作的功能；用實時時鐘模塊對異常數(shù)據(jù)定位方便調(diào)試及工作人員排除故障類型。電源異常監(jiān)測模塊長7.5 cm寬5 cm，高3 cm，重35 g，體積小重量輕適用監(jiān)測各種移動車載電源。

綜上設(shè)計分析和實際現(xiàn)場試驗可知，電源異常監(jiān)測模塊能夠可靠的記錄各種電源的異常脈沖，為車載電氣控制系統(tǒng)調(diào)試及故障排除提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考，協(xié)助設(shè)計工程師簡化了繁瑣的故障的分析工作。

參考文獻：

［1］于麗娜，秦麗.C8051F單片機信號采集系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011（7）：53-55.

［2］姚鎏，王東軍，周世海.某型自動炮供彈機構(gòu)故障分析［J］.四川兵工學(xué)報，2011，32（12）：57-58.

［3］楊永標(biāo)，王雙虎.一種分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案［J］.電力自動化設(shè)備，2011，31（9）：125-128.

［4］孫偉超，尹德強.基于C8051F040的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子測量技術(shù)，2011,34（10）：91-95.

中圖分類號：TP216

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0640（2016）04-0177-04

收稿日期：2015-03-31修回日期：2015-05-07

作者簡介：劉長明（1981-），男，河北張家口人，講師。研究方向：控制理論與控制工程。

Design of Abnormal Voltage Testing Module about Military Vehicle Power

LIU Chang-ming，SHEN Xiao-lin，WANG Fan
（North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract：This paper is researching about the design of abnormal monitoring module of a military special vehicle power supply system，which is supplied power by accumulator.It provides reference data for system control terminals when analyzing and removing failures.Monitoring module uses the microcontroller C8051F040 as the control core.It records abnormal voltage beyond the normal range when monitoring the"system DC26V"and"system DC5V"power supply.And it sends abnormal data to system control terminals by RS-485 communication mode.The module is small volume，fast acquisition speed，recording time marks and stable operation.Through the actual application it proved that the monitoring module can precisely record various power abnormalities during operation.

Key words：C8051F040，monitoring module，isolation，RS-485