基于FPGA及ARM的老化試驗智能測控裝置

劉洪平LIU Hong-ping；胡云梅HU Yun-mei；奎曉燕KUI Xiao-yan；保麗江BAO Li-jiang

（云南昆船電子設備有限公司，昆明 650032）

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，人們對智能化的程度要求也越來越高，智能控制系統(tǒng)集成化、數(shù)字化、信息化[1]，如自動駕駛、遠程控制、人工智能等技術[2]，智能化的出現(xiàn)讓人們更切身地體會到了科學技術給日常生活所帶來的便捷[3]。

目前的老化試驗，存在局限性，一機專用、單臺設備能夠監(jiān)測的組件及單板數(shù)量有限、間歇式測量、手動操作及記錄、操作人員勞動強度大等問題。這種老化方式生產(chǎn)效率低、人力成本高、硬件成本高、差錯率高。本次研究的基于FPGA及ARM的老化試驗智能測控裝置，可自動采集電流、電壓、交流信號、相位等參數(shù)，滿足常規(guī)老化產(chǎn)品采集的功能，該裝置老化過程中自動記錄老化數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)異常有聲光報警提示功能；老化過程有語音播報老化工作狀態(tài)；老化結(jié)束自動斷電功能，避免人員疏忽忘斷電，讓產(chǎn)品過老化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由3大部分組成，如圖1所示：老化試驗智能測控裝置上位監(jiān)測系統(tǒng)、老化試驗智能測控裝置控制板卡、老化試驗智能測控裝置采集板卡等組成。老化試驗智能測控裝置輔助部分主要包括繼電器、聲光報警器、語音播報模塊、電扇等。虛線框內(nèi)的設備為采集對象。圖2為老化試驗智能測控裝置實物圖。該裝置中的采集板卡，擔負著對老化對象進行數(shù)據(jù)采集；控制板卡是大腦，對采集的數(shù)據(jù)進行決策，并根據(jù)預設定的閥值，進行判斷，執(zhí)行相關任務；上位監(jiān)測系統(tǒng)，擔負控制整個系統(tǒng)的工作時序及顯示數(shù)據(jù)。裝置一旦工作無需人工干預，按照預設定的時序進行工作休息，自動記錄數(shù)據(jù)。

圖1 老化試驗智能測控裝置系統(tǒng)組成

圖2 老化試驗智能測控裝置實物圖

系統(tǒng)上電，老化試驗智能測控裝置工作，老化試驗控制板卡獲取并判斷采集板卡采集到的電流、電壓及信號的數(shù)據(jù)，一旦有不滿足技術條件的參數(shù)，會記錄該參數(shù)，并記錄該參數(shù)發(fā)生的時間，發(fā)出聲光報警，提示老化人員，提g發(fā)現(xiàn)老化產(chǎn)品故障，當老化產(chǎn)品工作異常之后，老化試驗控制板卡控制繼電器將設備電源斷開，起到保護老化產(chǎn)品的目的，產(chǎn)品老化結(jié)束后，控制板卡通過控制固態(tài)繼電器，將產(chǎn)品的電源斷開，以防老化人員疏忽，忘記關斷老化產(chǎn)品電源，老化試驗過程中，有語音播報提示。

2 老化試驗智能測控裝置硬件設計

采集板卡采用嵌入式ARM（STM32F4）進行設計，通過擴展電流取樣、AD采集、比較器、外部通訊等功能，實現(xiàn)電壓、電流、頻率、相位的采集和數(shù)據(jù)上傳，可以將采集板卡劃分為：電流高邊檢測單元、AD采集單元、模擬信號調(diào)理單元、通訊單元等組成。原理框圖如圖3所示，采集板卡實物圖如圖8所示。

圖3 采集板卡原理框圖

電流高邊檢測單元主要功能是實現(xiàn)電流的檢測，電流高邊檢測單元選用專用的電流高邊檢測MAX4080TASA進行電流檢測，主要原理是電流信號流過電流高邊檢測IC配置的外部取樣電阻，在取樣電阻上形成了電壓降，該電壓降經(jīng)過電流高邊檢測IC的放大處理后輸出電壓信號，送入AD7606采集單元進行電壓采集，原理圖如圖4所示。

圖4 電流檢測原理圖

AD采集單元主要選用8通道16-bit模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊AD7606實現(xiàn)電壓采集；MCU采用串行SPI的方式進行AD數(shù)據(jù)讀取，原理圖如圖5所示。AD特性：①8通道同步采樣輸入；②16-bit、200KSPS ADC（所有通道）；③靈活的并行/串行接口（SPI/QSPI）。

圖5 AD檢測原理圖

信號調(diào)理單元主要功能是實現(xiàn)將高壓信號轉(zhuǎn)換為AD采集單元采集量程范圍內(nèi)的電壓值，交流高電壓衰減到AD采集單元10V信號量程，最終電壓信號通過數(shù)據(jù)采集板卡完成采集，交流信號檢測原理圖如圖6所示。

圖6 交流信號檢測原理圖

比較器電路采用TI公司的TLV350X軌到軌高速比較器實現(xiàn)，該器件僅有納秒級的延時，可以將通道的模擬信號完整地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入MCU進行頻率和相位計算。相位采集主要利用整形之后的數(shù)字方波信號計算其兩個通道之間的時間差，根據(jù)時間差來計算相位差，主要流程圖如圖7所示。

圖7 交流信號相位差計算框圖

控制板卡主要由電源、微控制器、通訊協(xié)議模塊，繼電器、電連接器（RC-6032-C064FS-3C1）等組成，如圖9所示。

圖9 控制板卡系統(tǒng)框圖

控制板卡的微控制器采用FPGA（EP4CE6E22C8N），它的主要作用是接收上位監(jiān)測軟件的控制指令，根據(jù)接收到的控制指令去控制（RS485、TCP/UDP）通訊協(xié)議模塊與被試產(chǎn)品及采集板卡進行數(shù)據(jù)交互，控制板卡與采集板卡通訊采用RS485通訊、與被試產(chǎn)品采用UDP通訊、與上位監(jiān)測系統(tǒng)采用TCP通訊。

當數(shù)據(jù)異常時，控制板卡控制1路繼電器打開聲光報警器進行報警，當被試產(chǎn)品電流電壓異常時控制2路固態(tài)繼電器斷開被試產(chǎn)品的電源，起到保護被試產(chǎn)品的目的，控制板卡如圖10所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)工作時采集的數(shù)據(jù)與標準示波器、電壓、電流表采集數(shù)據(jù)的對比，電壓、電流、1路峰值電壓、2路峰值電壓、2路信號相位差各采集10組數(shù)據(jù)求10組數(shù)據(jù)的平均值。從測量數(shù)據(jù)上對比，如圖11所示，誤差滿足標準儀器儀表設計允許誤差范圍，滿足使用要求。

圖11 標準儀器測量與老化試驗智能測控裝置測量數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

基于FPGA及ARM的老化試驗智能測控裝置經(jīng)測試，試驗證明該裝置軟硬件功能可靠，測量準確、響應及時，該裝置可同時老化兩套組件，它具有如下優(yōu)點：①聲光報警功能；②語音播報功能；③產(chǎn)品異?；蚴堑綍r自動斷電功能；④實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、自動記錄數(shù)據(jù)生成報表等功能。老化試驗智能測控裝置小型化、集成度高、操作簡單、智能化強、通用性強、價格較低、運用領域廣，企業(yè)可在此平臺上擴展運用。智能已成為新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動力，對世界經(jīng)濟、社會進步及人類生活具有極其深刻的影響，老化試驗智能測控裝置后期可運用如：農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)測、工業(yè)流水線控制、工業(yè)機器設備監(jiān)測等領域。