随着信息化、数字化在各行各业的迅猛发展,武器系统中的信息化、数字化也将成为未来的发展趋势。武器系统中,司乘人员在空间狭小的操作仓里,经常要面对功能众多、大小不等、量程各异的仪表盘,这些仪表盘不仅占用空间,而且不够直观,在分秒必争的战场中,情况紧急时,容易造成司乘人员的误操作或反应滞后,给操作带来不必要的麻烦。本文提出一种进行交流电频率、电压测量的方法,以简化武器系统的操作仓,节省了空间,使司乘人员更加直观地进行系统供电频率、电压的监测,而不用先找位置,再进行各种仪表体积、量程的对比确认,最后才进行观测参数的读取,简化了过程,节省了时间。
1频率、电压监测装置的硬件设计
1.1 ATMEL89系列单片机简介
ATMEL89系列单片机共有AT89C51、AT89C52、89C1051、89C2051等型号,该芯片采用51内核,兼容MCS-51产品,100 000次重复编程/擦写,具有5 V供电和低压供电型号。下面以AT89C52为例进行说明。ATMEL89C52是美国ATMEL,公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机,具有PLCC、TQFP和DIP等封装,片内含8 kB的程序存储器,256 B的数据存储器,3个16 b定时/计数器,1个标准串行通讯口,8各中断源,内部带有振荡器、上电复位和看门狗电路、5个I/O口、多达36根I/O线。特别是内部的8 kB闪存,为程序开发提供了很大方便。
1.2 系统设计框图
以日常照明所用的50~60 Hz交流电为测量对象进行测量原理的摸底,测量系统的硬件电路主要包含供电、隔离变压、电压信号比较输出、A/D转换以及单片机接口控制、串口输出部分构成,测量系统框图如图1所示。
![](http://www.picavr.com/upload/2009_10/091012171556102.jpg)
系统电路的工作原理简述如下:交流电压经过隔离变压器隔离降压、限流以后,分成两路电压输入信号。一路输入用于频率测量,输入信号经离散器件的分压、稳压处理,使其满足电压比较芯片AD790JN输入端的要求,通过AD790JN将输入的正弦波信号转换成5 V的方波信号,然后送到单片机外部中断INT0,单片机接收外部脉冲,启动定时/计数器对方波信号进行定时计数,计算得出频率值;另外一路输入用于电压测量值,输入信号经过分压被送到A/D转换部分,经过AD574A芯片的转换,将输入的模拟量转换成数字量送到单片机的P0口,得到量化电压值;同时,串口电路部分则负责将得到的频率值、电压值以十六进制代码形式发送至上位机,从而,上位机对频率值和电压值进行直观的显示。
1.3 系统主要组成电路
(1)波形转换电路
由于交流电压信号的波形为一定幅值的正弦波,所以首先要将其转化为数字脉冲信号,再送到单片机计数端才能对脉冲计数。波形转换电路由AD790JN和外围元器件构成,AD790JN的1脚和4脚分别给出了输入波形对地的正向和负向电压范围,2脚为参考电压输入端,这里以交流地为参考,3脚为电压信号输入端,7脚、8脚分别为数字信号输出端和门限电压输入端。电路如图2所示。
![](http://www.picavr.com/upload/2009_10/091012171556103.jpg)
波形由模拟量转换成数字量输出,被送至单片机外部中断INT0端,启动定时/计数器T1进行计数,频率误差在±1 Hz。
(2)A/D转换电路
单片机本身只能识别和处理一种离散的数字信号,而在实际的控制系统中,需要监测和控制的是一些电压、电流等随时间连续变化的电物理量,所以为了实现单片机对一个应用系统的控制和检测,A/D转换电路是必不可少的设计环节。
该A/D设计的目的是把检测到的电压模拟量转换成数字量,要求A/D转换的精度达到±0.1 V,采用AD574A已经满足设计要求。AD574A是12 b逐次逼近式A/D转换器,具有高精度(12 b)变换和高快(8 b) 转换的功能,片内含高精度的参考电压源和时钟,有单极性和双极性两种接法,对应的输入电压范围分别为0~20 V和-10~+10 V,最大转换时间为35μs,拥有锁存的三态输出,并与TTL兼容,可直接与MCS-51系列总线相连。设计采用单极性接法,具体电路如图3所示。为了避免输入电压在进入AD574A输入端时电压衰减,影响测量精度,设计中采用加跟随器OP07进行电压保持。
![](http://www.picavr.com/upload/2009_10/091012171556104.jpg)
(3)单片机处理控制电路
单片机是整个系统的核心,根据系统设计的要求和单片机的总体性能,如运算速度、抗干扰能力、I/O端口、中断源、存储容量、性价比等,我们采用性能优越的AT89C52芯片作为核心。在设计中,其外围控制电路如图4所示。
![](http://www.picavr.com/upload/2009_10/091012171556105.jpg)
(4)串口通讯电路
当单片机内部处理了数据后,通过RS 422串口将所得的频率、电压值发送至上位机,RS 422串口具有较好的抗干扰能力,保证了数据通讯的可靠性。其电路图如图5所示。
(5)电路抗干扰处理
通常在单片机的工作现场中存在许多干扰源,这些干扰源会影响系统的正常工作,因此必须进行抗干扰处理。在实际中主要的干扰是电源干扰,数字模拟电路间的相互作用等,所以抗干扰处理主要也是针对这些方面。
![](http://www.picavr.com/upload/2009_10/091012171556106.jpg)
抑制电源的干扰通常使用线路滤波器消除电源脉冲干扰的高频分量,用隔离变压器隔离感应干扰的传输。在该设计中,对交流电采用隔离变压器隔离降压,再经过稳压管、电容去耦、滤波处理,电压波形稳定,无毛刺。对。DC-DC的输入直流电压,设计中在DC-DC前端利用电源滤波器结合电容进行滤波处理,避免了电源模块干扰。另一方面,在PCB设计时,进行模块化设计,使模拟电路部分和数字电路部分在PCB上分割清晰,还进行了地线加粗处理,使地线尽可能连成网状,并对数字部分敷铜接地处理,提高了抗干扰能力。由于设计以原理摸底为目的,所以使用元器件时,兼顾成本考虑,例如在AD790芯片类型选择时,选用了JN型,而没有选AQ型,因为前者为工业级,后者为军品级,在价格上相差甚远。
2系统控制软件设计
2.1软件设计的特点
该设计的软件主要是根据设计的功能在KeilC51下编写的,软件能可靠地实现系统功能。该设计软件具有以下特点:
(1)软件结构清晰、简洁、合理;
(2)各功能程序实现模块化、子程序化,这样既便于调试、连接,又便于移植修改;
(3)调试过的程序进行规范化,除去修改“痕迹”,规范化的程序可为以后的软件模块化、标准化打下基础。
2.2控制信号组合表
AD574A的工作状态由CE,CS,R/C,12/8,A0这5个控制信号决定。这些控制信号的组合功能如表1所示:
![](http://www.picavr.com/upload/2009_10/091012171556101.jpg)
3结 语
该设计在实验室进行了软硬件的调试。系统上电后,对输入电压进行了适当调整,输出端数据发生了相应的变化。通过对输出量化数据的转化,求得电压值,与前端实际输入电压值进行比较,误差在±0.1 V内,串口送出的频率值误差在±1 Hz。通过一段时间的运行,系统运行状况良好,能够稳定、可靠地进行电压、频率测量. |