某型机动保障方舱电源系统检测装置的设计与实现

2010-07-25姜应战刘金辉姜海龙李嘉

船电技术 2010年11期

姜应战刘金辉姜海龙李嘉

（海军潜艇学院专业士官与技术兵培训系，山东青岛 266042）

1 引言

某型机动保障方舱在抢险救灾中起着重要作用，整个系统一般由工作电源机柜、设备调试检测机柜、显控台等组成，其中电源机柜是整个保障方舱的“心脏”，其技术状态的好坏将直接影响目标设备能否正常工作，影响整个保障方舱任务的顺利执行。为保证机动保障方舱的良好状态，必需对方舱内电源机柜各路输出指标进行定期检测。

目前，机动保障方舱电源柜各路输出指标的检验只有接上目标设备之后才能进行，也就是要接实际负载。为解决离线检测方舱电源的问题，研制了某型机动保障方舱电源检测装置，该机动保障方舱电源机柜包括二十几组工作电源，利用该装置可对整个电源设备的空载输出电压、额定负载下的输出电压及电流、纹波系数和负载效应等静态参数和动态参数进行快速、自动、高精度检测，以确定各供电电源是否满足技术要求。

2 检测装置的硬件组成

检测装置的总体布局和系统组成如图 1所示。检测装置由控制主机、检测系统和离线工作的PC机组成。

控制主机、检测系统采用嵌入式微控制器为控制核心。采用嵌入式微控制器而不采用计算机的目的是为了减小检测装置的体积，便于移动式检测，同时也免于系统维护，杜绝病毒侵蚀。但装置仍可离线通过USB接口将检测结果送至PC机进行存储、建立数据库，以进行历史查询和数据处理等。

2.1 控制主机

控制主机用微控制器采用 Silicon Laboratories公司的 C8051F340嵌入式微控制器[1]。C8051Fxxx系列微控制器是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。

C8051F340具有40个I/O口线，所有口线均耐5 V电压，4个通用16位计数器/定时器，两个串行口，内部高精度振荡器。

图1 系统硬件组成

系统中C8051F340端口的配置包括I2C端口的配置、串行口的配置、键盘控制口的分配、液晶显示器和微型打印机数据端控制端的分配。

C8051F340的USB接口用于与PC通信，将检测数据存于数据库，一个串行口通过485接口控制检测系统对电源的指标进行检测，同时将检测结果在LCD中显示、存储及打印等。

2.2 电源检测系统

电源检测系统主要包含模拟负载、信号调理电路、微控制器和继电器电路以及电源保护等电路。模拟负载采用大功率线绕电阻，通过测量电源空载和负载特性，来计算稳压电源的各项指标。负载电阻的大小可根据电源的额定指标确定，相近额定值的电源可采用同一传感器，并可通过控制电路将负载串并联后，作为其他电源负载，这样可以减少负载电阻的数量，从而减少整个系统的体积。电压电流信号来自信号调理电路，这就要求信号调理电路有较高的测量精度、较好的线性度和较快的反应速度，而且应与被测电源隔离。

2.2.1 检测系统用微控制器

检测系统用微控制器为 Silicon Laboratories公司的C8051F350嵌入式微处理器[1]。C8051F340微控制器具有24位A/D转换器及8路模拟输入多路选择器，可配置为差动输入，以提高抗干扰能力和转换精度[2]；具有17个数字I/O口，均可耐5 V电压；4个通用16位计数器/定时器；全双工异步通信口；内部精度高振荡器。

24位 A/D转换器及模拟输入多路选择器用于检测电压、电流及纹波电压。电源柜电源在嵌入式微控制器控制下通过输出继电器逐个送到相应电压变送器、电流变送器和负载，其电压、电流和纹波经变送器或变换电路后进行A/D转换，变换为微控制器能够测量、计算和分析的数字量。微控制器通过软件计算出电源柜各电源的各项指标。

2.2.2 输入接口与变量程测量

输入接口与变量程测量电路如图2所示。系统控制输入继电器分时将21路电源送电压、电流变送器和纹波测量电路。

输入继电器由单片机口线通过移位寄存器和驱动电路控制相应继电器动作。

电源的模拟负载采用大功率线绕电阻，同时通过继电器控制实现电阻的串并联，这样不仅使所有被测电源能够带上额定负载，而且还可以减少电阻的数量。

2.2.3 电流电压测量

电流电压的测量采用霍尔传感器以实现被测电压、电流与检测系统的隔离。隔离的目的是保证被测电压不被校验计量系统影响及实现无测量插入损耗[3]。

开关电源输入频率和开关转换频率引入的纹波噪声，会造成电压和电流幅值测量误差，为降低该误差主要采取以下措施。

（1）被测信号采用差动传输方式，微控制器A/D输入也配置为差动输入。

图2 输入接口与变量程测量电路

（2）对电流信号和电压信号连续采样4个工频周期共40个瞬时值，然后取平均值，作为被测电压幅值和被测电流幅值，以消除工频干扰。

电压调整率则根据空载电压和额定负载电压进行计算。

图3 纹波测量电路

2.2.4 纹波测量

纹波测量是通过峰值检测电路测量纹波的峰值，然后计算纹波的峰值[4]。峰值检测电路由采样保持器LF398、高速比较器AD790及运放测量放大电路构成，LF398的输出电压与输入电压通过比较器进行比较，当输入电压高于输出电压时，LF398的逻辑控制端被置为高电平，使LF398处于采样状态；当输入电压达到峰值而下降时，LF398的逻辑控制端被置为低电平，使LF398处于保持状态，从而实现了对峰值的保持。每次峰值测量结束后，通过对保持电容放电，可以使LF398保持的峰值复位。如图3所示。