某測量系統直流變換器測試臺的設計與實現

王海勇

(上海航天設備制造總廠，上海 200245)

某測量系統直流變換器的測試設備(以下簡稱測試臺)用于直流變換器基本功能的測試，并配合完成系統的綜合測試。筆者在分析某測量系統直流變換器性能參數要求的基礎上，設計了8臺單機56路信號手動和自動測試方案，并給出自動測試時的數據采集與處理算法。該測試臺可模擬上層換流器向8臺直流變換器輸出±15V和+5V供電電壓，模擬上層電池母線電壓和時序母線電壓送入直流變換器進行隔離變換，并將變換前、后的電壓信號顯示在測試設備的面板上。

1 設計原理①

某測量系統直流變換器測試臺的組成如圖1所示，8臺單機的供電信號、母線電壓信號和時序指令信號都是由直流變換器測試臺控制輸出的，同時測試臺將送入單機的電壓、母線電壓和時序指令信號進行了實時采樣顯示。系統上電之后，首先根據手動/自動選擇按鈕進行相應的工作，默認為手動操作。手動測量操作由單機選擇按鈕和參數選擇按鈕配合進行。由于系統要求考核工作壽命，故本設計測試臺上電后會同時給8臺單機送入供電信號、母線電壓和時序指令信號。這樣手動測量并記錄時，只需通過單機選擇按鈕來選擇8臺單機中的一臺，選中某臺單機后再由參數選擇按鈕輪流選擇7個參數測量。

圖1 測試臺硬件組成框圖

如果手/自動選擇按鈕選中自動，直流變換器中的LPC2210 ARM7微處理器首先將系統初始化，并控制供電信號、母線電壓信號和時序指令信號的輸出。緊接著進行單機1～8的供電電壓、母線電壓信號和時序指令信號的采集，在采集過程中將每臺單機的每個參數數據按一定的數據格式進行存儲，當輪詢完8臺單機后，再將數據從存儲器經由串行口發送到計算機上進行數據分析。

2 硬件電路

考慮到電磁兼容性、系統抗干擾能力、安裝接線及故障排除等因素，系統硬件采用模塊化設計，分為供電板、信號板和母板三大部分。母板實現與測試臺面板上的控制按鈕、數顯表、供電信號和單機返回信號之間的物理走線。供電板和信號板通過連接器插在母板上來實現供電信號、母線電壓和指令時序信號的接通、采樣和顯示功能。

測試臺的供電電壓選擇顯示電路如圖2所示，其中DG506ACK模擬開關的A0、A1、A2和A3手動測試時，信號來自歐姆龍撥碼開關的8421BCD碼；自動測試時信號來自LPC2210微處理器的I/O口。S2～S9分別接單機+15V供電信號，在+15V供電電壓端與P1_+15V～P8_+15V間串聯1Ω電阻R17～R24是為了測試每臺單機的供電電流。在R17～R24上并聯D2～D9是為了保護1Ω精密電阻，因為每臺單機的功耗電流都小于150mA，如果某臺單機因故障導致功耗電流突增并超過300mA，電流就會從二極管上流過，這樣就不會因為被測產品故障而影響測試臺。

圖2 供電電壓選擇顯示電路

測試單機的供電電流時，采用兩片低噪聲高增益OP07運算放大器搭建差分放大電路和同相比例放大電路求取當前單機的供電電流。如圖3所示，U6實現了差分運算，兩個輸入端電阻阻值相等，反饋電阻與同相輸入端接地電阻相同，如此可得計算式Vout=R46/R49(+15V-dianliu+)。根據此公式可知，Vout就等于降在1Ω精密電阻上的電壓，也即單機消耗的電流。由于功耗電流是毫安級的，直接送入數顯表顯然不行，故U5將其進行同相比例放大10倍后送數顯表顯示。

自動測試時，撥碼開關產生的8421碼由LPC2210微處理器的I/O產生，整個過程都由該處理器完成。返回參數信號采樣電路，該采樣電路選擇LPC2210內置的10位A/D轉換器。由于返回的參數信號都在0～5V，并且系統要求的測試精度為0.01V，故采用10位A/D轉換器即可滿足測試要求。

圖3 電流顯示電路

3 軟件部分

測試臺軟件的設計主要針對自動測試，同樣采用模塊化設計，自動測試軟件流程如圖4所示，首先進行必要的初始化；接著判斷自動選擇按鈕是否按下，若按下則進一步判斷當前單機選擇標記是否已經到8，若沒有則控制I/O發出8421BCD碼來選擇單機；選中單機后判斷采樣參數是否到7，若沒有則控制I/O發出參數選擇命令，進行7個參數的輪詢采樣、處理與存儲，完成一臺單機7個參數的測量后返回到判斷單機處繼續執行下一次操作。8臺單機全部測試結束后，將測量數據從存儲器經由串口發送到計算機上。

圖4 自動測試軟件流程

筆者將所采集的返回參數信號進一步細分，劃分為3個功能模塊：ADC數據采集模塊、Nand Flash數據存儲模塊和UART串行通信模塊。此外還要注意采集數據的存儲，因為該系統有8臺單機，并且每臺單機有7個參數，據此設計的數據在Nand Flash中的存儲格式為：數據頭、尾各14Byte，數據占4Byte。數據存儲方式就可以定義為以下的數據結構：

struct ADCVALUE

{

char head[14];

unsigned char adc_value[4];

char confirm[14];

}

另外，在數據采集部分為了準確反映每臺單機的每個參數的測量值，數據采集軟件的設計中需考慮抗干擾和抗毛刺功能，各種隨機干擾客觀存在，會發現A/D轉換后輸出的數字有不穩定現象，顯然這樣的數據缺乏準確性。本系統對A/D采樣數據進行了數字濾波，采用抗毛刺和抗干擾能力都較強的去極值平均濾波算法，軟件算法流程如圖5所示，連續地對單機中的7個參數進行10次采樣，將其累加求和，同時找出其中的最大值和最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，將剩余的8次采樣值求平均，即可得到有效的采樣值。

圖5 數字濾波算法流程

上位機通信軟件設計采用VC++6.0開發平臺。應用MSComm控件，可以非常方便地創建串行通信應用程序，具體步驟不再詳述。本系統還添加了Microsoft Excel功能，可以方便靈活地為一般用戶所使用，將串口接收到的數據添加至列表控件中后，設置一個按鈕，在按鈕響應中，添加代碼，將數據保存為Excel格式，方便調試人員閱讀與分析。

4 結束語

將筆者設計的某測量系統直流變換器測試臺的軟、硬件進行聯合調試，結果表明：該測試臺能夠滿足某測量系統直流變換器的性能參數的各項要求，檢測結果和檢測精度均達到預期的要求，提高了相關參數的測試效率。