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。
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关键词 ：光纤陀螺；电源监控；MC9S12XEP100MAL；RS 485
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
基金项目：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Advantech IPC?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AC 220 V，输出电压为+5 V和-5 V，两路的输出电流最大均为2 A。
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AC 220 V 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，AC 220 V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AC 220 V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RS 485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。RS 485 串行数据通信卡选用研华的8 端口RS 422/485 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、RS 485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+5 V 和-5 V 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50 MHz，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+5 V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2.5 A，最高测量频率为150 kHz。
在图4中，电阻R3取值为200 Ω，则可以计算出当原边输入电流为2 A时，输出电流信号If1为4 V。
2.3 RS 485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RS 485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+5.5 V，欠压值设置为+4.5 V，过流值设置为2 A。
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AC 220 V 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LabVIEW 2013 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（Laboratory Virtual Instrument Engineer?ing Workbench）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+5 V 输出电压和输出电流，-5 V 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38 400 b/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、10 ms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、10 ms定时中断模块初始化，以及RS 485 串行接口的初始化。初始化程序流程如图8所示。
（2）10 ms 中断子程序。在10 ms 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。10 ms中断子程序流程如图9所示。
在图9中，当10 ms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AC 220 V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10 s。
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RS 485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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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。