張兵　何義忠　周海軍　王征

摘要：本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)作為控制核心，利用繼電器控制電路采集多路電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)整合、緩存和AD轉(zhuǎn)換，將多路電壓信號(hào)以數(shù)字形式在液晶屏上集中顯示。本文給出了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的主程序流程圖。該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)參數(shù)的快速精準(zhǔn)測(cè)試。

關(guān)鍵詞：多路電壓測(cè)量；靜態(tài)測(cè)試；MCU控制

引言

某型地空導(dǎo)彈電子設(shè)備靜態(tài)參數(shù)測(cè)試屬于一級(jí)維護(hù)工作內(nèi)容，每周車炮場(chǎng)日和實(shí)彈射擊前都要進(jìn)行該項(xiàng)目的維護(hù)，目的是對(duì)電子設(shè)備各組合的靜態(tài)工作點(diǎn)交、直流電壓參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，用以檢查電子設(shè)備組合的性能及參數(shù)正常與否，以保證處于良好的工作狀態(tài)及性能。目前，該型地空導(dǎo)彈電子設(shè)備靜態(tài)測(cè)試采用人工方式，通過三用表和測(cè)試盒配合來進(jìn)行測(cè)試，每次操作只能測(cè)量一個(gè)電壓參數(shù)，而且電子設(shè)備組合多、每個(gè)組合參數(shù)多，存在測(cè)試耗時(shí)長(zhǎng)、精度低、操作繁瑣等問題。因此，基于單片機(jī)技術(shù)的多路電壓測(cè)量方法運(yùn)用于靜態(tài)測(cè)試具有重要的意義和作用，可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)參數(shù)的自動(dòng)、快速、精準(zhǔn)測(cè)試。

一、靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的工作原理

靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)利用繼電器控制電路采集多路電壓信號(hào)，通過信號(hào)整合電路將電壓信號(hào)整合成0～5V的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)緩存電路的暫時(shí)鎖存，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)過單片機(jī)相應(yīng)的處理后，將所測(cè)量的電壓信號(hào)在液晶屏上顯示出來。設(shè)計(jì)的靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制、信號(hào)采集、信號(hào)整合、數(shù)據(jù)緩存、模數(shù)轉(zhuǎn)換、顯示輸出和鍵盤模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路框圖如圖1所示。

二、硬件電路設(shè)計(jì)

（一）信號(hào)采集模塊

鑒于對(duì)電子設(shè)備組合最多13路的工作電壓測(cè)量，采用13路信號(hào)繼電器，在MCU的控制下完成組合各路信號(hào)通道的選通，信號(hào)采集周期為500ms。信號(hào)采集電路如圖2所示。

在信號(hào)采集電路（只選取了2路作為說明）中，S和S1為信號(hào)的電源兩端，忽略了測(cè)量信號(hào)的類型；通過繼電器后，會(huì)輸入給SN和SN1信號(hào)供后續(xù)電路的使用。在本系統(tǒng)中只能允許一路信號(hào)的短時(shí)間占用，其余信號(hào)都處于等待狀態(tài)，待信號(hào)完成采集后，MCU會(huì)產(chǎn)生一個(gè)控制繼電器的信號(hào)NPN1，來控制繼電器的轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

繼電器控制信號(hào)來自MCU通過PP00-PP07端口，信號(hào)的類型和數(shù)值都是MCU內(nèi)部計(jì)算后輸出，是帶有選擇性的信號(hào)?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)繼電器選擇信號(hào)通道的轉(zhuǎn)換。在500ms內(nèi)將一路信號(hào)依次選通完成信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作。

（二） 信號(hào)整合模塊

采集后的電壓信號(hào)由繼電器分配給運(yùn)算放大器U20，經(jīng)過運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)處理，將不同的電壓信號(hào)（交流信號(hào)、直流信號(hào)、高電壓信號(hào)、低電壓信號(hào)）整合成0～5V直流信號(hào)以供AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集。信號(hào)整合電路如圖4所示。

本電路U20選用LM224（四運(yùn)放集成電路，內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小等優(yōu)點(diǎn)），本身沒有數(shù)據(jù)的計(jì)算能力，只能通過外圍電路的配合，采用反向比例運(yùn)算電路結(jié)合精密電阻的數(shù)值完成信號(hào)的整合和轉(zhuǎn)換。

若直流信號(hào)輸入后電路會(huì)切換到S_DC+或者S_DC-電路的測(cè)量中，若交流信號(hào)輸入后，在MCU的處理下回切換到S_AC進(jìn)行處理。信號(hào)的倍數(shù)關(guān)系在CD4501（單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)）的選擇下進(jìn)行級(jí)數(shù)配給。

MCU對(duì)信號(hào)的選擇控制是通過MCU對(duì)CD4502（雙4選1的多路模擬選擇開關(guān)）控制來完成信號(hào)選擇，并對(duì)信號(hào)的最終處理轉(zhuǎn)換提供了輸出接口。

（三）數(shù)據(jù)緩存模塊

信號(hào)采集時(shí)間和處理時(shí)間不一致，因此采用了LF398數(shù)據(jù)鎖存緩沖器，作為中間信號(hào)的鎖存和緩沖。LF398具有采樣和保持功能，是一種模擬信號(hào)存儲(chǔ)器，在邏輯指令控制下，對(duì)輸入的模擬量進(jìn)行采樣和寄存。三路整合好的信號(hào)S_DC-、S_DC+和AC_DC信號(hào)輸入到LF398中后，鎖存在內(nèi)部，電壓形式?jīng)]有改變，電容是其保持電壓的關(guān)鍵部件。三路輸出信號(hào)SIGNALx，經(jīng)過部分雜波和干擾處理，直接為后續(xù)AD轉(zhuǎn)換電路提供標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。數(shù)據(jù)緩存電路如圖5所示。

（四）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

由于MCU處理的是數(shù)字信號(hào)，而前面處理的信號(hào)都是模擬信號(hào)，因此設(shè)計(jì)了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)，供MCU分析使用。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了較為先進(jìn)的ADC0809（帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件），并行輸出，提供8位的高分辨率，為保證信號(hào)的準(zhǔn)確性提供了較為可靠的保證。但該芯片沒有內(nèi)部晶振，需要外部提供脈沖信號(hào)，74LS74是常用的1/12信號(hào)脈沖芯片。將MCU的ALE脈沖信號(hào)引入到芯片內(nèi)，通過分頻完成CLK脈沖信號(hào)輸出，供給ADC0809作為時(shí)間基準(zhǔn)使用信號(hào)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖6所示。

（五）MCU控制模塊

控制器MCU部分采用性價(jià)比較高的AT89C51（低功耗，高性能 CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k字節(jié)的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器）作為核心處理單元，晶振選用11.0592MHz，采用上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式，通過開發(fā)C語(yǔ)言程序，控制各電路完成多路電壓測(cè)量工作。單片機(jī)控制電路如圖7所示。

（六）顯示輸出模塊

液晶顯示模塊采用12864LCD液晶顯示屏，它是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，且LCD 控制器/驅(qū)動(dòng)器芯片已綁定到LCD 晶片上；低電壓低功耗，適合于電池供電的便攜式通信設(shè)備和測(cè)試設(shè)備中。液晶顯示模塊在單片機(jī)的控制下，將被測(cè)電子組合的電壓信號(hào)以數(shù)字形式在液晶屏上顯示出來。顯示輸出電路如圖8所示。

三、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以KEIL軟件為開發(fā)平臺(tái)，通過C語(yǔ)言編寫單片機(jī)應(yīng)用程序。軟件設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)方面：一是初始化程序；二是繼電器和運(yùn)算放大器電阻配置程序；三是信號(hào)處理程序；四是顯示輸出程序。程序采用模塊化的結(jié)構(gòu)，這樣程序結(jié)構(gòu)清楚，易編程和易讀性好，也便于調(diào)試和修改。程序由主程序和若干子程序組成，主程序的功能是系統(tǒng)初始化，管理和調(diào)用各個(gè)子程序。主程序流程圖如圖9所示。

四、結(jié)論

本系統(tǒng)具有測(cè)試精確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行測(cè)試，性能穩(wěn)定可靠，已開發(fā)成產(chǎn)品，應(yīng)用于某型地空導(dǎo)彈電子設(shè)備靜態(tài)參數(shù)測(cè)試，大大縮短了測(cè)試時(shí)間，提高了測(cè)試精度，具有一定的軍事應(yīng)用價(jià)值。

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