基于虚拟仪器的机载电源在线检测系统

作者：信息来源:电子市场 2007-5-26

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摘要：介绍一种机载电源在线检测系统。该系统基于虚拟仪器技术，上位机软件采用LabWindows／CVI6．0开发，硬件电路的主控芯片采用AT89C51单片机。系统实现了飞机检修过程中机载电源的动态检测和故障定位，具有检测结果实时、故障诊断准确等特点。绝对值电路。...

　　摘　要：介绍一种机载电源在线检测系统。该系统基于虚拟仪器技术，上位机软件采用LabWindows／CVI6．0开发，硬件电路的主控芯片采用AT89C51单片机。系统实现了飞机检修过程中机载电源的动态检测和故障定位，具有检测结果实时、故障诊断准确等特点。
　　关键词：虚拟仪器；单片机；绝对值电路；LabWindows／CVI6．0

Online Detection System Based on Virtual Instrument for On-board
Power of Airplane

GAO Honghong，HAO Yingji

（School of MechanicalEngineering，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an，710054，China）

　　 Abstract: The online detection system is introduced for on-board power of airplane.It based on virtual instrument,the software of its computer system is developed with Lab Windows／CVI6．0，the MCU of its hardware circuitis AT89C51．The system achieved dynamic testing of on-board power and fault location during airplane servicing,its testing result is real-time and fault diagnosis is accurate．
　　Keywords：virtualinstrument；MCU；absolute value circuitry；LabWindows／CVI6．0

　　机载电源的正常工作关系到整个飞机的安全运行，他一般提供直流27 V，交流26 V，115 V电源，因此对他的准确检测非常重要。在飞机的检修过程中，对上述电源的性能指标进行实时检测和记录分析，有助于发现并排除故障。目前飞机检修一般采用的检测方法用各种仪表以手动方式对各个电量进行检测，因此检测过程不连续，动态瞬时故障通常难以发现和定位，检测读数由工判断，大量数据难于记录准确。本文介绍的机载电源在线检测系统旨在解决上述飞机检修过程中存在的问题，提高检测结果的准确性和实时性，对记录数据进行分析，及时发现电源的各种潜在故障。该系统利用虚拟仪器技术，硬件结构紧凑，软件功能强大且人机界面友好。限于篇幅，本文着重介绍系统的硬件组成和用LabWindows／CVI6．0开发的上位机通信软件。

1　系统硬件设计
1．1　硬件总体设计
　　虚拟仪器系统通常具有如下几种形式：数据采集系统、GPIB（通用接口总线）仪器系统、VXI仪器系统以及他们三者的组合构成形式。该机载电源检测系统就是一种基于数据采集系统的虚拟仪器，类仪器通常由传感器或采样电路、信号调理电路、数据采集卡（板）、计算机4部分组成，如图1所示。

　　该系统要实现对6路模拟电源信号（包括直流电源27 V／10 A，交流电源115 V／5 A和26 V／1 A）和400 Hz。电源频率的在线实时采集、显示和存储。数据采集板是该硬件系统的核心，其结构框图如图2所示，待检测的电压、电流模拟信号先经采样电路和信号调理电路，再由12 b转换精度的A／D转换器转换成数字信号后送给单片机89C51；频率信号由交流26 V或115 V电压信号中获得，经二极管调幅检波、施密特反相器脉冲整形后送给89C51的定时器T0，89C51对上述数字信号进行相应处理后，通过全双工串行接口和RS232电平转换连接上位计算机，计算机对实时数据显示出来（正常情况下，电压、电流和频率的值一定，显示为直线）。　

1．2　电压、电流信号检测电路的设计
　　本系统要实现对交流电压115 V，26 V，电流5 A，1 A模拟信号的采集，在前向信号调理和采集电路中，需将交流信号转换为直流电压信号，再进行模数转换，因此在数据采集板中采用了绝对值电路和12 b的A／D转换器。
　　交流电压信号检测电路原理如图3所示，其前端是一种电流型电压互感器，串联电阻分压有利于减小互感器的功率，提高变流的精度。

　　实际测量时，为了防止采样变压器线圈磁饱和，在初级电路中增加了60 kΩ的限流电阻，互感器的输出阻抗为1 kΩ，原边和副边匝数比为1∶1，内阻为300Ω，在115 V电压输入时线圈电流约为2 mA，通过互感器的总功率为2×2×300／1 000＝1．2 mW。为了提高信号的采集精度加了一级电压跟随，得到（A／D转换器的参考正电压），再经绝对值电路变换得到直流电压信号送给A／D转换器。其后端的绝对值电路由半波整流电路和加法电路组成。调幅检波是利用二极管的单向导通性，当输入电压V_i＞0时，D1导通，D2截止，电压V＝－V_i，此时整流电路的输出电压V_o＝V_i＞0；当输入电压V_i＜0时，D1截止，D2导通，电压V＝0，此时整流电路的输出电压V_o＝－V_i＞0。由此可见，该绝对值电路的输出电压V_o＝｜V_i｜，可单边检出调制信号。
　　交流5 A检测电路的信号调理和采集部分与交流电压相似，由于后面的测量电路要求功率较小，前端信号采样电路采用了1∶2 000的精密电流互感器，其体积小且相对测量精度较高。如图4所示，被测电流只用了一匝，当被测电流为5 A时，次级线圈输出电流为5 000／2 000＝2．5 mA，经电阻采样，得到输入到A／D转换器的最大信号电压为。
　　交流电流1 A检测电路采用分流电路进行电流－电压变换，为了减小对电源的影响，调整分流电阻值使采样电压小于0．1 V，后续的绝对值电路将交流小电压变换为直流电压并将该电压值放大30倍，使输入到A／D转换器的电压信号接近V_ref＋，以便提高采样分辨率，其余部分与其他交流信号检测电路相同。
　　直流电流10 A检测电路由于电流较大，只能用分流电路来采样，用直径为0．3 mm的铜丝绕制成约0．01Ω的分流电阻，其采样电压经电压跟随提高输入阻抗，再经比例放大电路后送给A／D转换器；直流电压27 V检测电路采用了普通电阻分压的方法。
　　系统的A／D转换器采用SPI接口的TLC2543，其接口简单，只需要4根I／O口线，具有11路模拟输入通道，12 b转换精度，达到了3位半数字万用表的测量精度。该系统使用了其中的6路通道对3路电压和3路电流进行转换，单片机将转换结果以16位数据格式存储和发送。

1．3　频率检测电路的设计
　　频率检测电路如图5所示，交流电压正弦信号经过二极管4148调幅检波和限幅后，得到脉冲幅值约4．7 V的单向脉动信号，通过带有施密特触发器的反相器40106整形后输入给89C51，89C51利用脉动信号的上升边沿，用定时器T₀对信号的几个周期脉宽所对应的机器周期进行计数，在软件中按采集的周期数将计数值转换为对应的频率值。为了防止尖峰脉冲干扰，在信号输入反相器端与地之间接5 V的限幅稳压二极管，当输入脉冲的幅值大于5 V时，击穿稳压二极管；信号经过带有施密特触发器的反相器，可以使输出相对输入有滞后，波形整形后抗干扰性好，在采样点得到近似的方波信号。

2　系统软件设计
　　系统软件包括上位计算机软件和下位单片机软件。单片机软件采用MCS-51汇编语言编写，主要由数据接收程序、6路A／D转换程序、频率测量程序、数据发送程序4大模块组成。
　　上位计算机软件采用LabWindows／CVI6．0软件开发平台，LabWindows／CVI是基于C／C^＋＋的专门用于虚拟仪器开发的可视化编程语言。用LabWindows／CVI提供的用户界面库（包括开关、旋钮、图表等）可以很容易地设计出符合实际要求，新颖美观的操作界面；LabWindows／CVI还提供了丰富的库函数用于数据获取、处理和显示等功能，为我们开发不同目的的应用软件带来极大的方便。
　　上位机软件主界面如图6所示，界面中间的3个曲线图控件分别用来显示电压、电流、频率曲线，用户通过点击界面上的命令按钮执行相应的软件功能，就象手动操作一台具体的检测设备一样。该软件实现的主要功能有：
    （1）串口测试。
    （2）与下位单片机的双向通信。
　　（3）对采集数据的实时处理、记录存储和绘图显示。
    （4）系统校正（参数标定）。
　　该软件利用了LabWindows／CVI6．0提供的串行通讯RS232函数库中的库函数完成串口的设置（包括通信波特率、数据位、停止位、奇偶校验、输入输出缓冲区大小等）和打开操作，用定时器Timer回调函数方便地实现了数据的采集和发送，用LabWindows／CVISQL工具包实现数据库存储、查询和数据维护。

　　由于设置A／D转换的结果以16位（A／D转换器对低8位数据的后4位自动补零）数据格式存储和发送，所以上位机发送和接收的数据帧格式如表1所示，表中前2个字节为上位机发送的数据帧格式，后18个字节为上位机接收的数据帧格式。为了保证传输数据的准确性，发送和接收数据帧中都有前导码以便进行正误判断。上位机软件对采集的电流、电压、频率的原始值乘以校正系数，得到浮点型数值，在主界面中以数据和曲线的形式实时显示出来，用户可以通过观察电压、电流、频率的波形和幅值，了解电源的工作情况，还可以利用系统提供的诊断软件，自动记录电源的运行状况，并在发现电源出现异常时自动报警、记录相关数据，为设备维护提供依据。

3　结　语
　　该机载电源在线检测系统将虚拟仪器技术与单片机系统技术相结合，提高了信号检测的准确性和实时性，并以直观的界面将数据实时显示出来，便于检修人员发现用手动检测方式不易察觉的瞬时故障，对记录存储的数据进行分析，及时排除故障。系统软件采用呼叫（机号）应答（机号）方式通信，硬件电路中配置了RS232～RS485电平转换器，便于功能扩展，因此不仅可以采用RS232总线通信方式，而且可以通过跳线选择RS485总线通信方式，将多个检测系统挂在一条系统总线上，实现多机通信。利用虚拟仪器技术很容易地实现了界面的设计和数据处理，并能方便地对串口进行操作，充分显示了虚拟仪器技术的优越性。该系统有效地提高了飞机检修的自动化水平和故障诊断的准确性，在飞机电源的检修中具有推广使用价值。

　　参考文献
［1］张毅刚，等．虚拟仪器软件开发环境LabWindows／CVI6．0编程指南［M］．北京：机械工业出版社，2001．
［2］张凤均，等．LabWindows／CVI开发入门和进阶［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2001．
［3］郝迎吉，贺科学．一种新型铁路调度自动监督系统［J］．铁道学报，2002，（6）．
［4］李俭川，等．虚拟仪器系统构建策略及其在飞机二次电源维修中的应用［J］．计算机自动测量与控制，2001，9（3）．

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