光纖陀螺供電電源監控系統設計

黨永剛+張偉

摘 要： 針對某型號光纖陀螺老煉測試需要長時監控、數據存儲和故障保護等需求，采用工控機與MC9S12XEP100MAL單片機相結合的方案，設計光纖陀螺供電電源監控系統。該系統可以實時監控12路光纖陀螺供電電源的輸出電壓和輸出電流，且具有數據存儲，過壓、欠壓和過流等故障保護功能，達到了預期的技術指標，可以滿足光纖陀螺老煉測試的要求。

關鍵詞： 光纖陀螺； 電源監控； MC9S12XEP100MAL； RS 485

中圖分類號： TN86?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0152?04

0 引 言

某型號光纖陀螺在老煉測試時往往是多個陀螺成組進行測試，每一個陀螺都由線性隔離電源獨立供電。由于對光纖陀螺的老煉測試一般都在幾十小時，甚至上百小時不間斷，這就要求供電電源連續可靠地工作。反之，一旦電源過壓、欠壓或者過流就會損壞待測陀螺，造成巨大的經濟損失。因此，對光纖陀螺供電電源進行監控，不僅可以實時記錄電源的輸出電壓電流，有利于分析陀螺的工作狀態，而且在電源出現過壓、欠壓或過流時，可以自動切斷供電電源，從而起到保護光纖陀螺的作用。

本文采用研華的Advantech IPC?610H工控機作為上位機，基于LabVIEW設計了12路陀螺電源數據監控界面及數據存儲程序。選取MC9S12XEP100MAL單片機作為下位機監控電路的主控芯片，實現了陀螺電源輸出電壓和輸出電流的實時采集，以及過壓、欠壓和過流等故障保護。采用Modbus協議的RTU模式，實現了上位機與下位機的數據傳輸。基于上述技術，實現了12路光纖陀螺供電電源輸出電流和電壓的實時監控。

1 光纖陀螺供電電源監控系統方案

1.1 技術要求

光纖陀螺供電電源監控系統要求能夠監控12個光纖陀螺供電電源。這12個電源均采用朝陽4NIC?X20線性電源，各電源獨立隔離供電。4NIC?X20線性電源的輸入為AC 220 V，輸出電壓為+5 V和-5 V，兩路的輸出電流最大均為2 A。

具體的技術要求如下：

（1） 同時監控12個光纖陀螺供電電源；

（2） 每一個陀螺供電電源的輸出電壓和輸出電流采樣必須為隔離采樣；

（3） 一旦某個電源出現過壓、過流或欠壓故障，電源監測系統立即切斷該電源的AC 220 V輸入，同時進行聲音報警（只有排除故障后，供電系統重新上電才可以恢復供電）；

（4） 上位機實時顯示陀螺電源的輸出電壓和電流，并實時記錄各電源的輸出電壓、電流。

1.2 系統方案設計

根據光纖陀螺供電電源監測系統的技術要求，光纖陀螺供電電源監測系統方案[1?2]設計如圖1所示。

圖1 光纖陀螺供電電源監控系統結構圖

在圖1中，AC 220 V交流電通過繼電器組控制后為12個光纖陀螺電源供電。監控電路分為3組，每組監控4個電源，共同檢測12個電源的輸出電流和電壓，一旦檢測到某個電源出現過壓、過流或欠壓等故障，則可以通過控制相應的繼電器實現AC 220 V交流供電的自動切斷，起到保護光纖陀螺的作用。

3組監控電路再通過RS 485網絡連接至上位機，實現陀螺電源輸出電壓、電流數據的上傳。RS 485串行數據通信卡選用研華的8端口RS 422/485通用PCI 通信卡PCI?1622CU。上位機采用研華的Advantech IPC?610H工控機，實現陀螺電源電壓、電流數據的接收、顯示、報警和存儲。

2 監控電路設計

光纖陀螺供電電源監控電路主要由電流、電壓隔離采樣電路、A/D采樣電路、單片機及其外圍電路、RS 485隔離通信電路、繼電器控制電路和繼電器組構成，如圖2所示。

圖2 電源監控電路組成

在圖2中，每一組監控電路可以監控4個陀螺電源。由于每個陀螺電源輸出為+5 V和-5 V兩路電壓，監控電路需要對8路電壓信號和8路電流信號進行隔離采樣。

2.1 單片機選型

選擇飛思卡爾MC9S12XEP100MAL單片機作為監控電路主控芯片。MC9S12XEP100MAL單片機是飛思卡爾16位單片機，最高總線頻率可達50 MHz，具有16個模擬量輸入通道，轉換精度為12位，可以滿足監控電路對8路電壓信號和8路電流信號進行A/D轉換的需要。

2.2 隔離采樣電路設計

電壓采樣電路選取BB公司的變壓器隔離放大電路ISO124進行陀螺電源輸出電壓的隔離采樣，具體的電路圖如圖3所示。

圖3 ISO124隔離電壓采樣電路

ISO124為精密變壓器隔離運放，放大倍數為1∶1，非常適合陀螺電源輸出+5 V電壓的隔離采樣。

電流采樣電路選取LEM公司LA25?NP/SP7霍爾電流傳感器進行電流信號的隔離采樣，具體的采樣電路如圖4所示。

圖4 電流隔離采樣電路

LA25?NP/SP7霍爾電流傳感器的變比為1∶100，原邊額定電流為2.5 A，最高測量頻率為150 kHz。

在圖4中，電阻R3取值為200 Ω，則可以計算出當原邊輸入電流為2 A時，輸出電流信號If1為4 V。

2.3 RS 485通信電路設計

為了提高系統的抗干擾性能，選取集成光電隔離功能的ADM2484作為RS 485通信電路的電平轉換芯片，設計好的隔離通信電路如圖5所示。

2.4 保護電路設計

為了確保光纖陀螺安全可靠地運行，設計了如圖6所示的過壓、過流和欠壓保護電路。

圖5 RS 485隔離通信電路

圖6 過壓、過流和欠壓保護電路

在圖6中，輸出電壓的過壓值設置為+5.5 V，欠壓值設置為+4.5 V，過流值設置為2 A。

當監控電路檢測到某個陀螺電源出現過壓、過流或欠壓等故障時，單片機將對應的I/O端口輸出信號IOPA1置為低電平，則光電耦合器TLP121輸出為高電平，使晶體管Q1導通，繼電器JDQ2的線圈得電，其常閉觸點JDQ1斷開，切斷該陀螺電源的AC 220 V輸入，從而實現陀螺電源出現過壓、過流或欠壓等故障保護。一旦陀螺電源保護，只有整個陀螺電源供電模塊重新上電才可以恢復供電。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括上位機監控軟件及監控界面設計、通信協議設計和下位機軟件設計三部分。

3.1 上位機軟件設計

采用LabVIEW 2013來設計測控軟件的上位機界面以及與下機位的通信程序。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，提供了很多外觀與傳統儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創建用戶界面，快速輕松采集實際信號、進行分析以確定有用的數據、通信或存儲結果[3?4]。設計好的上位機光纖陀螺供電電源監控界面如圖7所示。

圖7 光纖陀螺供電電源監控界面

在圖7中，系統可以同時監控12個光纖陀螺供電電源的+5 V輸出電壓和輸出電流，-5 V輸出電壓和輸出電流，并且顯示電源的當前工作狀態，是否出現過壓、過流和欠壓等故障；一旦出現故障，相應的指示燈會由綠色變為紅色。

3.2 通信協議

工控機與下位機單片機之間的通信協議采用Modbus協議中的RTU傳輸模式，波特率為38 400 b/s。其中，工控機作為主機，光纖陀螺供電電源監控電路1～3為從機[5?6]。

3.3 下位機軟件設計

下位機軟件設計主要包括系統上電初始化子程序、10 ms中斷子程序，串口數據發送/接收中斷子程序三部分。

（1） 上電初始化子程序。系統上電后，首先需要進行系統的初始化設置，包括MC9S12XEP100MAL單片機處理器初始化、A/D采樣模塊初始化、10 ms定時中斷模塊初始化，以及RS 485串行接口的初始化。初始化程序流程如圖8所示。

圖8 上電初始化子程序

（2） 10 ms中斷子程序。在10 ms中斷子程序中，主要完成4個陀螺電源的8個電壓信號和8個電流信號的采集。10 ms中斷子程序流程如圖9所示。

圖9 10 ms中斷子程序

在圖9中，當10 ms中斷產生進入中斷子程序，單片機對16個A/D通道順序進行轉換，并對轉換后的電壓電流數據進行處理，然后將其存入對應的數據緩沖區，等待上位機請求數據時通過串口發送返回。電流電壓數據處理主要包括將A/D轉換結果變換成對應的實際電流電壓值，以及進行電壓的過壓、欠壓判斷，電流的過流判斷。一旦出現過壓、欠壓或過流等故障，單片機立即啟動保護電路切斷陀螺電源的AC 220 V輸入。

（3） 串口數據發送/接收中斷子程序。工控機與3路監控電路之間的通信采用主從通信模式，即工控機向3路監控電路發送數據請求命令，監控電路在響應主機請求時返回8路電壓信號數據、8路電流信號數據和陀螺電源的工作狀態數據。為了減少串口數據發送/接收對單片機資源的占用，提高處理的效率，系統采用中斷的方式完成串口數據的接收和發送。串口中斷服務程序流程如圖10所示。在圖10中，當串口中斷產生時，串口中斷服務程序首先判斷串口中斷的來源，進入串行數據接收或串行數據發送子程序。發送數據時， 從系統的發送緩存區讀取數據，寫入相應的串口寄存器發送；接收數據時，從相應的串口寄存器讀入數據， 寫入系統的接收緩存區。

3.4 數據存儲

工控機接收到監控電路返回的電流電壓數據后，除了將數據顯示在監控界面中，還定時將數據以Excel文件的格式存儲到工控機的硬盤中，以備陀螺電源運行數據的查詢。其中，數據存儲時間為10 s。

4 結 論

本文采用工控機與MC9S12XEP100MAL單片機相結合的方案，基于LabVIEW編程技術、隔離信號采樣技術，以及RS 485串行通信等技術，實現了光纖陀螺供電電源監控系統的設計。該系統可以同時監控12路光纖陀螺供電電源的輸出電壓和輸出電流，且具有數據存儲，過壓、欠壓和過流等故障保護功能。現場實際應用表明，該光纖陀螺供電電源監控系統電流、電壓采樣精度高，數據采集和顯示實時性好，故障保護功能可靠，滿足了光纖陀螺老煉測試需要長時間監控、數據記錄分析和故障保護的要求，達到了預期的技術指標。

圖10 串口數據發送/接收中斷子程序

參考文獻

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