摘 要： 為了實現對雷達供電系統中直流電源的電壓、電流參數和機柜溫度的實時監測，以及各種電源之間的互鎖控制，設計了一種用于航管雷達供電電源的測控系統。闡述了系統的測控原理和硬件實現方法，并給出了系統軟件的設計思路及流程。
關鍵詞： 電源測控；傳感器；模數轉換；嵌入式技術
隨著航管雷達體制的快速發展及其技術的不斷進步，對航管雷達機內測控系統的要求也越來越高[1]。作為航管雷達正常工作的動力源泉，對航管雷達供電系統的測控更顯得尤為重要。電源工作正常與否，會直接影響航管雷達整機的性能，因此電源測控系統是航管雷達必不可少的重要組成部分[2]。
為了排除電源故障，需要實時地了解電源發生故障時的狀態[3]。這就要求在電源發生故障的瞬間，能夠捕捉到電源實時的故障數據，并能在故障環境下穩定地保存下來，進而對系統電源參數進行實時測控、數字信息交換和故障記錄顯示等，從而降低操作人員和維護人員的技能要求，提高系統的可靠性，減少系統故障的平均維修時間[4]。
1 系統總體組成設計
系統的總體組成如圖1所示，主要包括PC104嵌入式計算機、傳感器及其檢測電路部分、接觸器及其控制檢測電路部分。
采用PC104總線的嵌入式計算機，其優點在于硬件性能優越、成熟可靠、結構標準、更新換代容易、可以擴充電子硬盤、彩色顯示卡、鍵盤接口、打印機接口以及各種可選配的功能卡。同時PC104計算機擁有豐富的軟件資源，如各種操作系統的支持環境以及可以配置的各種工具軟件，因而使得軟件的編程和開發更加快捷和方便。本系統采用VxWorks實時操作系統為平臺，它包括一個微內核，可以提供強大的網絡支持、文件系統和I/O管理、C++編程環境支持各種模塊。
該電源測控系統采用霍爾元件傳感器采集被測電源的電流和電壓信號，傳感器檢測到的信號以電流信號輸出給檢測電路，經過A/V變換后，送到AD進行模擬量到數字量的轉換，PC104計算機讀取AD輸出的數據并做相應的運算，之后將檢測結果通過網絡送到遠端的上位機進行實時監視。
該系統還接收由遠端的上位機發來的接觸器控制命令，通過控制電路輸出到接觸器的觸點，對某一路電源進行開/關機控制。同時通過接觸器狀態檢測電路檢測接觸器輔助觸點的狀態，觀測被控制后的接觸器是否動作，并將檢測到的狀態通過網絡送到遠端的上位機進行實時監視。
2 傳感器及其檢測電路
2.1 電壓、電流傳感器
系統采用霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器。兩者都是應用霍爾效應和零磁通原理的新一帶傳感器，可以在隔離條件下測量直流電壓或電流。其主要功能特點有：(1)應用了霍爾原理的閉環補償特性；(2)具有良好的線性度；(3)優化了響應時間；(4)寬頻帶、高靈敏度；(5)體積小無插入損耗[5]。
電壓傳感器的輸入是寬范圍的直流電壓信號，電流傳感器的輸入是寬范圍的直流電流信號，輸出均為4 mA~20 mA的測量信號。
2.2 電流電壓檢測電路設計
該電路由精密電阻、電容、模數轉換器AD7891以及必要的FPGA輸出的控制信號構成。來自傳感器的4 mA~20 mA電流檢測信號經過精密電阻轉換成0~5 V的電壓檢測信號，經過電容濾波后送到AD7891進行模數轉換，輸出的數字量由PC104計算機讀取并處理。
AD7891是美國ADI公司推出的一種12位數據采集系統(DAS)，應用電路如圖2所示，AD7891的主要特性是：
(1)分辨率12 bit；
(2)轉換時間1．6 μs；
(3)8個具有過壓保護的模擬信號通道；
(4)+5 V單電源工作，低功耗；
(5)非線性誤差為±1LBS；
(6)并行和串行接口；
(7)芯片內有采樣/保持放大器；
(8)芯片內提供參考電源。
它具有外接元件少、功耗低、精度高等優點，適合作各種微處理器、控制器以及數字信號處理機的接口。
2.3 溫度檢測電路設計
采用MAX6673溫度傳感器，溫度檢測電路如圖3所示。
溫度傳感器的1腳輸出PWM方波，通過FPGA內部的計數器和時鐘對PWM方波的正、負脈寬進行計時，得到PWM波形中蘊涵的溫度信息，最終由PC104計算機軟件讀取并計算出溫度值，送監視界面顯示。FPGA內部的溫度讀取模塊如圖4所示。
3 接觸器測控電路
3.1 接觸器控制電路設計
如圖5所示，該電路由FPGA、HC374、電阻和功率場效應晶體管IFR7380組成。來自遠端的接觸器開/關控制命令經過FPGA 內部的端口，送到三態鎖存器HC374，并經過功率場效應晶體管IFR7380進行電流放大，輸出給接觸器，使接觸器吸合或者斷開。
控制電路內部還接有撥動開關，使系統可以方便地實現本地控制和遠端遙控控制的相互切換。
IFR7380是大電流小電阻的功率場效應晶體管，它的主要性能指標有：(1)Vcc為80 V；(2)開關輸出平均電流3 A；(3)功耗2 W。
3.2 接觸器狀態檢測電路設計
接觸器狀態檢測電路如圖6所示，由電阻、電容、HC244和FPGA組成。被檢測的接觸器的輔助觸點的一端接地，另一端接到該系統，經電阻上拉后輸入到HC244驅動器，經過電容濾波去除干擾信號，再輸入到FPGA的內部端口，由PC104計算機讀取接觸器輔助觸點的狀態，處理之后送遠端上位機的電源監視界面。
當接觸器斷開時檢測信號為高電平，吸合時檢測信號為低電平，這種檢測方法稱之為干接點檢測法。
4 系統軟件設計
操作系統選擇VxWorks實時操作系統，這是由WindRiver推出的一種嵌入式強實時操作系統[6]，它存在多任務調度的方式，可以管理多個外設，而且可根據應用程序的需求對操作系統進行裁剪，最大程度地壓縮代碼,實現程序的優化。VxWorks因其卓越的穩定性被首先應用于航天、導彈等尖端領域，目前使用更加廣泛[7-8]。
軟件處理流程如圖7所示，系統引導成功后進入用戶程序入口，首先開始任務的初始化，其主要包括初始化系統時鐘、讀取工作參數配置文件、控制端口復位、網絡初始化等。軟件通過網絡對外進行通信，系統初始化完成后要創建網絡接收任務，網絡接收任務創建完成后就開始了主任務與網絡接收任務的并行處理工作。
網絡接收任務與主任務的優先級相同，任務切換依靠系統時間片輪詢來進行調度。兩個任務之間依靠信號量進行通信，網絡接收任務收到網絡數據后對數據進行解析處理，并設置信號量以通知主任務進行相應的控制響應，其主要包括信號量復位、接觸器控制、狀態回送等。
主任務除了處理外界的控制命令外還要實時地采集16路電壓電流值、16個觸點狀態值、系統溫度值。主任務采集各種狀態信息后要定時把所有信息打包發送給遠端的上位機。遠端上位機上的電源測控監視界面如圖8所示。
由嵌入式PC104計算機和模擬器件構成的電源測控系統能夠精確地對供電系統的各種電源的電流值、電壓值進行實時監視，并通過遠端操縱臺對這些電源進行遙控開機或者關機，能實時監測這些電源的開機或者關機狀態。該系統已經成功運用到某航管雷達的供電系統。
參考文獻
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[2] 胡建東.用于超視距雷達的電源遠程監控系統[J].現代雷達，2003，25(5)：55-56.
[3] 劉玉云.基于C8051F021的機載雷達電源監控系統[J].電子工程師，2007，33(4)：7-13.
[4] 李更祥.嵌入式計算機應用于相控陣雷達機內測試設備的設計[J].計算機自動測量與控制，2001，9(2)：59-62.
[5] 王瑞峰，米根鎖.霍爾傳感器在直流電流檢測中的應用[J].儀器儀表學報，2006，27(6)：312-314.
[6] 李方敏．VxWorks高級程序設計[M].北京：清華大學出版社，2004.
[7] 黃幸.VxWorks在電源監控系統中的應用[J].現代雷達，2007，29(9)：98-100.
[8] 黃銀園.VxWorks操作系統在多功能相控陣雷達中的應用[J].現代雷達，2001，23(4)：46-49.