光纤陀螺供电电监控系统设计方案.docx

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光纤陀螺供电电监控系统设计方案

光纤陀螺供电电源监控系统设计-电气论文

光纤陀螺供电电源监控系统设计党永刚1，张伟2（1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安710068；2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191）摘要：

针对某型号光纤陀螺老炼测试需要长时监控、数据存储和故障保护等需求，采用工控机与MC9S12XEP100MAL单片机相结合的方案，设计光纤陀螺供电电源监控系统。

该系统可以实时监控12路光纤陀螺供电电源的输出电压和输出电流，且具有数据存储，过压、欠压和过流等故障保护功能，达到了预期的技术指标，可以满足光纤陀螺老炼测试的要求。

关键词：

光纤陀螺；电源监控；MC9S12XEP100MAL；RS485中图分类号：

TN86?

34；TP274文献标识码：

A文章编号：

1004?

373X（2015）14?

0152?

04收稿日期：

2014?

12?

25基金工程：

航空科学基金：

机载电子芯片热模型研究（20100231001）0引言某型号光纤陀螺在老炼测试时往往是多个陀螺成组进行测试，每一个陀螺都由线性隔离电源独立供电。

由于对光纤陀螺的老炼测试一般都在几十小时，甚至上百小时不间断，这就要求供电电源连续可靠地工作。

反之，一旦电源过压、欠压或者过流就会损坏待测陀螺，造成巨大的经济损失。

因此，对光纤陀螺供电电源进行监控，不仅可以实时记录电源的输出电压电流，有利于分析陀螺的工作状态，而且在电源出现过压、欠压或过流时，可以自动切断供电电源，从而起到保护光纤陀螺的作用。

本文采用研华的AdvantechIPC?

610H工控机作为上位机，基于LabVIEW设计了12路陀螺电源数据监控界面及数据存储程序。

选取MC9S12XEP100MAL单片机作为下位机监控电路的主控芯片，实现了陀螺电源输出电压和输出电流的实时采集，以及过压、欠压和过流等故障保护。

采用Modbus协议的RTU模式，实现了上位机与下位机的数据传输。

基于上述技术，实现了12路光纤陀螺供电电源输出电流和电压的实时监控。

1光纤陀螺供电电源监控系统方案1.1技术要求光纤陀螺供电电源监控系统要求能够监控12个光纤陀螺供电电源。

这12个电源均采用朝阳4NIC?

X20线性电源，各电源独立隔离供电。

4NIC?

X20线性电源的输入为AC220V，输出电压为+5V和-5V，两路的输出电流最大均为2A。

具体的技术要求如下：

（1）同时监控12个光纤陀螺供电电源；

（2）每一个陀螺供电电源的输出电压和输出电流采样必须为隔离采样；（3）一旦某个电源出现过压、过流或欠压故障，电源监测系统立即切断该电源的AC220V输入，同时进行声音报警（只有排除故障后，供电系统重新上电才可以恢复供电）；（4）上位机实时显示陀螺电源的输出电压和电流，并实时记录各电源的输出电压、电流。

1.2系统方案设计根据光纤陀螺供电电源监测系统的技术要求，光纤陀螺供电电源监测系统方案[1?

2]设计如图1所示。

在图1中，AC220V交流电通过继电器组控制后为12个光纤陀螺电源供电。

监控电路分为3组，每组监控4个电源，共同检测12个电源的输出电流和电压，一旦检测到某个电源出现过压、过流或欠压等故障，则可以通过控制相应的继电器实现AC220V交流供电的自动切断，起到保护光纤陀螺的作用。

3组监控电路再通过RS485网络连接至上位机，实现陀螺电源输出电压、电流数据的上传。

RS485串行数据通信卡选用研华的8端口RS422/485通用PCI通信卡PCI?

1622CU。

上位机采用研华的AdvantechIPC?

610H工控机，实现陀螺电源电压、电流数据的接收、显示、报警和存储。

2监控电路设计光纤陀螺供电电源监控电路主要由电流、电压隔离采样电路、A/D采样电路、单片机及其外围电路、RS485隔离通信电路、继电器控制电路和继电器组构成，如图2所示。

在图2中，每一组监控电路可以监控4个陀螺电源。

由于每个陀螺电源输出为+5V和-5V两路电压，监控电路需要对8路电压信号和8路电流信号进行隔离采样。

2.1单片机选型选择飞思卡尔MC9S12XEP100MAL单片机作为监控电路主控芯片。

MC9S12XEP100MAL单片机是飞思卡尔16位单片机，最高总线频率可达50MHz，具有16个模拟量输入通道，转换精度为12位，可以满足监控电路对8路电压信号和8路电流信号进行A/D转换的需要。

2.2隔离采样电路设计电压采样电路选取BB公司的变压器隔离放大电路ISO124进行陀螺电源输出电压的隔离采样，具体的电路图如图3所示。

ISO124为精密变压器隔离运放，放大倍数为1∶1，非常适合陀螺电源输出+5V电压的隔离采样。

电流采样电路选取LEM公司LA25?

NP/SP7霍尔电流传感器进行电流信号的隔离采样，具体的采样电路如图4所示。

LA25?

NP/SP7霍尔电流传感器的变比为1∶100，原边额定电流为2.5A，最高测量频率为150kHz。

在图4中，电阻R3取值为200Ω，则可以计算出当原边输入电流为2A时，输出电流信号If1为4V。

2.3RS485通信电路设计为了提高系统的抗干扰性能，选取集成光电隔离功能的ADM2484作为RS485通信电路的电平转换芯片，设计好的隔离通信电路如图5所示。

2.4保护电路设计为了确保光纤陀螺安全可靠地运行，设计了如图6所示的过压、过流和欠压保护电路。

在图6中，输出电压的过压值设置为+5.5V，欠压值设置为+4.5V，过流值设置为2A。

当监控电路检测到某个陀螺电源出现过压、过流或欠压等故障时，单片机将对应的I/O端口输出信号IOPA1置为低电平，则光电耦合器TLP121输出为高电平，使晶体管Q1导通，继电器JDQ2的线圈得电，其常闭触点JDQ1断开，切断该陀螺电源的AC220V输入，从而实现陀螺电源出现过压、过流或欠压等故障保护。

一旦陀螺电源保护，只有整个陀螺电源供电模块重新上电才可以恢复供电。

3系统软件设计系统软件设计主要包括上位机监控软件及监控界面设计、通信协议设计和下位机软件设计三部分。

3.1上位机软件设计采用LabVIEW2013来设计测控软件的上位机界面以及与下机位的通信程序。

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineer?

ingWorkbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，提供了很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面，快速轻松采集实际信号、进行分析以确定有用的数据、通信或存储结果[3?

4]。

设计好的上位机光纤陀螺供电电源监控界面如图7所示。

在图7中，系统可以同时监控12个光纤陀螺供电电源的+5V输出电压和输出电流，-5V输出电压和输出电流，并且显示电源的当前工作状态，是否出现过压、过流和欠压等故障；一旦出现故障，相应的指示灯会由绿色变为红色。

3.2通信协议工控机与下位机单片机之间的通信协议采用Mod?

bus协议中的RTU传输模式，波特率为38400b/s。

其中，工控机作为主机，光纤陀螺供电电源监控电路1~3为从机[5?

6]。

3.3下位机软件设计下位机软件设计主要包括系统上电初始化子程序、10ms中断子程序，串口数据发送/接收中断子程序三部分。

（1）上电初始化子程序。

系统上电后，首先需要进行系统的初始化设置，包括MC9S12XEP100MAL单片机处理器初始化、A/D采样模块初始化、10ms定时中断模块初始化，以及RS485串行接口的初始化。

初始化程序流程如图8所示。

（2）10ms中断子程序。

在10ms中断子程序中，主要完成4个陀螺电源的8个电压信号和8个电流信号的采集。

10ms中断子程序流程如图9所示。

在图9中，当10ms中断产生进入中断子程序，单片机对16个A/D通道顺序进行转换，并对转换后的电压电流数据进行处理，然后将其存入对应的数据缓冲区，等待上位机请求数据时通过串口发送返回。

电流电压数据处理主要包括将A/D转换结果变换成对应的实际电流电压值，以及进行电压的过压、欠压判断，电流的过流判断。

一旦出现过压、欠压或过流等故障，单片机立即启动保护电路切断陀螺电源的AC220V输入。

（3）串口数据发送/接收中断子程序。

工控机与3路监控电路之间的通信采用主从通信模式，即工控机向3路监控电路发送数据请求命令，监控电路在响应主机请求时返回8路电压信号数据、8路电流信号数据和陀螺电源的工作状态数据。

为了减少串口数据发送/接收对单片机资源的占用，提高处理的效率，系统采用中断的方式完成串口数据的接收和发送。

串口中断服务程序流程如图10所示。

在图10中，当串口中断产生时，串口中断服务程序首先判断串口中断的来源，进入串行数据接收或串行数据发送子程序。

发送数据时，从系统的发送缓存区读取数据，写入相应的串口寄存器发送；接收数据时，从相应的串口寄存器读入数据，写入系统的接收缓存区。

3.4数据存储工控机接收到监控电路返回的电流电压数据后，除了将数据显示在监控界面中，还定时将数据以Excel文件的格式存储到工控机的硬盘中，以备陀螺电源运行数据的查询。

其中，数据存储时间为10s。

4结论本文采用工控机与MC9S12XEP100MAL单片机相结合的方案，基于LabVIEW编程技术、隔离信号采样技术，以及RS485串行通信等技术，实现了光纤陀螺供电电源监控系统的设计。

该系统可以同时监控12路光纤陀螺供电电源的输出电压和输出电流，且具有数据存储，过压、欠压和过流等故障保护功能。

现场实际应用表明，该光纤陀螺供电电源监控系统电流、电压采样精度高，数据采集和显示实时性好，故障保护功能可靠，满足了光纤陀螺老炼测试需要长时间监控、数据记录分析和故障保护的要求，达到了预期的技术指标。

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58?

60.作者简介：

党永刚（1977—），男，陕西富平人，高级工程师。

研究方向为航空机载产品生产管理。