低電壓輸出直流電源的測試老化系統

冉 霞

（1.瓦斯災害與應急信息技術國家重點實驗室，重慶,400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶,400039）

0 引言

KJ90N 系列礦井安全監控系統，主要應用于煤礦行業安全生產現場的監測監控，是集環境安全、生產監控、信息管理和多種子系統為一體的分布式煤礦綜合監控系統。KJ90NA/NB 系統主要由中心站主機、監控分站、防爆電源、各種傳感器等設備組成，其中，防爆電源輸出本質安全型直流穩壓電源（簡稱本安電源），給該系統的各種設備提供電源。以KDW0.3/660(A/B)型礦用隔爆兼本安直流穩壓電源為例，其輸出的本安電源主要包括5VDC、12VDC、18VDC、24VDC 等4 檔。當本安電源裝配完畢之后，為了提高其可靠性、降低失效率，需要在生產過程中進行相關的測試與老化工作。

舊有本安電源電路板測試老化的方式如下，首先工人對電源板進行手動測試，然后置入專用的防爆電源箱體中進行老化，最后再次對老化之后的電源板進行手動測試復檢。該測試方式除了不便于發現硬件的潛伏缺陷之外，還存在操作不便，占用大量人力、物力等資源，占地面積多、易被負載電阻燙傷等缺陷，因此，為了滿足安全生產和增質降耗等相關要求，筆者設計出一種可靠性好、能自動判斷報警的測試老化系統。

1 系統設計分析

為了解決舊有的本安電源電路板測試老化的相關缺陷，本設計首先提出四大設計要點，即符合相關標準及安全、結構緊湊、操作方便、智能監控等。具體設計要點如表1 所示。

表1 系統設計要點

2 系統工作原理

本測試老化系統主要由上位機和本安電源測試老化裝置組成，其中，本安電源測試老化裝置主要包括中位機、測試老化單元、供電單元等部分，測試老化單元接入測試老化的5V、12V、18V、24V 電源板；供電單元給被測試老化的電源板（以下簡稱受試電源板）提供安全的直流電源。

中位機采集電源板的輸出電壓電流參數，并顯示相關的參數信息，同時將參數通過RS485 通訊上傳至上位機中心站軟件進行處理，同時本地判斷所有的電源板是否工作正常，若出現不正常的電源板將關閉該路電源的輸入，同時進行該路電源故障的報警。

上位機中心站軟件顯示所有受試電源板的參數信息，并選擇受試電源板電壓類型。如果上位機軟件顯示的電源板參數不在所期望的參數范圍內，那么上位機軟件就會自動判斷其發生故障，同時會對出現故障的受試電源板進行報警提示，自動記錄相關參數并且保存到數據庫中，提示生產人員對出現故障的受試電源板進行檢查維修，直至所有批量生產的受試電源板合格入庫。其系統總體結構如圖1 所示。

3 測試老化裝置硬件設計

測試老化裝置的硬件以高性能16 位數字控制器dsPIC33EP128MC204 為核心，主要包括數字處理器單元、電源供電單元、電源輸入控制單元、測試老化單元、采樣單元、負載控制單元，以及通訊單元、報警單元、顯示單元等結構。測試老化裝置硬件電路工作原理如圖2 所示。

安全柵輸出的電源經過開關電源電路穩壓之后，將電壓由DC24 V降低為5V，再經過第二級LDO降壓芯片穩壓為3.3 V之后，輸出電源給控制器供電。

圖1 系統總體結構

圖2 測試老化裝置硬件電路工作原理框圖

數字處理器采集受試電源板的各級電壓、各級電流等關鍵指標參數，通過液晶顯示屏、LED 狀態指示燈等進行狀態顯示；發生故障時進行顯示報警，同時蜂鳴器進行聲音提醒；相關指標參數通過RS485 通訊單元上傳至上位機。

外部供電電源經過開關電源和安全柵電路，給受試電源板供電；數字控制器通過電源輸入控制單元分別控制每路受試電源板的啟停，處理器通過采集電路采集受試電源板及其負載電阻的溫度，實時監測系統的溫度狀態，當接入的受試電源板發生故障時，上傳報警信息，并切斷輸入電源。

3.1 采集電路

采集電路實時采集每路受試電源板的電壓、電流及溫度參數，保證每路受試電源板的工作正常，同時采集系統總體的溫度，依次作為調節風扇風量大小的依據。

每路受試電源板需要采集3 個參數，其中，電壓采集可直接通過采樣電阻分壓而得；電流采集通過采樣電阻獲得電壓信息，再進入采集信號運算放大電路中進行信號放大；溫度采集可通過NTC 熱敏電阻和電阻分壓獲得。由于本設計同時測試老化64路受試電源板，故需要采集192 個參數，再加上系統的總體溫度，則采集的參數達到了193 個。因此，采用多路選擇開關芯片CD4051 來減少占用數字控制器IO 管腳的數目，同時采用多路、多級的選擇開關芯片之后，進入數字控制器IO 管腳進行A/D 采樣及內部分析處理。

電流采集信號運算放大電路如圖3 所示，多路選擇開關電路如圖4 所示。

圖3 電流采集信號運算放大電路

圖4 多路選擇開關電路

3.2 控制電路

圖5 RS485 通訊電路

電源輸入控制功能是當受試電源板發生故障或者需要斷開電源時，數字控制器輸出隔離信號，并經過繼電器來斷開受試電源板的所有輸入電源，避免出現不應有的安全隱患。

由于該測試老化裝置集成5V、12V、18V、24V 等多種受試電源板為一體，每一種受試電源板的測試及老化參數不一致，其所接負載電阻也不一樣，因此，本設計通過負載控制單元調節每種受試電源板的負載類型。當然，同一批上線的受試電源板的電壓輸出等級最好相同，這樣有利于方便、快速、準確、安全的進行生產和質檢。

3.3 通訊電路

RS485 通訊實現微處理器與中位機的數據通訊，將微處理器采集的數據信息上傳至中位機，并將執行中位機的控制指令。RS485 通訊轉換采用差分數據收發器芯片SN65LBC184 來完成。為了防止較大的浪涌能量損壞器件，采用和隔離和過壓的保護方式來實現。上位機中心站軟件通過RS485 通訊電路下發讀取以及控制指令給硬件電路，硬件電路單片機收到指令后，便把采集到的參數值和控制反饋命令通過RS485 通訊電路上傳至上位機中心站軟件，從而完成相關的數據傳輸。RS485 通訊電路工作原理如圖5 所示。

4 中位機軟件設計

中位機的軟件程序主要包括主程序、與上位機通訊中斷服務子程序等。在主程序中，包括初始化、顯示狀態、巡檢測試單元數據、判斷相關數據是否正常、與上位機通信、冷卻風扇風量控制等。其中，冷卻風扇風量控制是為了使用安全和保護裝置，程序依據系統的溫度狀態來調節風扇風量的大小，使系統溫度保持在正常的范圍內。

當有上位機數據發生通訊時，進入通訊中斷服務子程序。在本通訊子程序中，接收和發送數據時不允許中斷，故首先清除中斷標志并禁止中斷，再讀取上位機下發的通訊數據，并回發數據至上位機，最后再次開啟中斷。中位機流程如圖6 所示。

5 其他

本系統上位機軟件開發是基于Visual Studio 2012 為開發平臺，主要功能模塊包括：RS485 通訊、數據分析處理、電壓值實時顯示、數據存儲、數據查詢、數據打印、聲光報警等。

為減少受試電源板所占用的空間面積，系統裝置設計采用了小巧型立體式的柜式結構，大大降低了測試老化占用的車間空間面積，并且還配有散熱風扇，使受試電源板在測試老化期間散發的熱量都通過散熱風扇散熱出去。

6 應用

圖6 中位機程序流程

經過半年多的運行測試表明，系統各模塊正常工作，軟硬件工作均穩定可靠，匯總連續6 個月本安電源的生產數據，對比實施本系統前后的生產周期，發現其對測試老化出現的故障周期由7 天縮短為4 天。同時，該系統具有工作可靠性高、穩定性好、安全高效等特點，本安電源測試老化裝置占地面積只有0.315m2，大大節省了實際的占用空間和面積。

7 結語

綜上所述，基于本安型直流電源的測試老化系統，是基于16位DSP 技術的中位機硬件設計，合理設計了一系列外圍電路接口，采用C#.NET 技術的上位機軟件開發，與上位機軟件的配套使用，能實現自動測試及老化本安電源。本系統簡化了電源板檢驗以及老化的流程，提升了測試老化的效率，縮短了生產周期；能進行實時監測、數據存儲、故障預警、故障提示、智能關機等功能，實現了生產過程的智能化；具有工作可靠性高、穩定性好、安全高效等特點，同時也降低了生產成本。該設計應用對于其他低電壓輸出電源的測試及老化也具有較好的借鑒作用。

[1] KJ90NA/NB 煤礦安全監控系統. [EB/OL].[2015-04-5]. http://www.cqccri.com/aspx/html/picshow.aspx?classid=129&id=1316

[2] KDW0.3/660（A/B）型礦用隔爆兼本安直流穩壓電源. [EB/OL].[2015-04-5]. http://www.cqccri.com/aspx/html/picshow.aspx?classid=134&id=1374

[3] 謝俊生,王森,游青山.礦井安全監控電源系統的研究[J]. 工礦自動化,2010,(7):71-74.

[4] Qiang Huang, Yugang Su, Yuangxiang Lu, Qingshan You.Wide input for adaptive power supply of mine. International Symposium on Prevention and Control Technology of Gas Disaster in Coal Mine 2009. Chongqing, China, January 1st, 2009； pp.254-262.

[5] 游青山,孟小紅,冉霞.礦井寬壓輸入自適應電源系統設計[J].工礦自動化,2013,39(7):11-14

[6] 游青山.基于動態監測子站的頂板監測系統研究與應用[J].煤炭工程,2013,45(7):94-96