CN103364742B - 老化车测试监控系统中的子电路板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种老化车测试监控系统中的子电路板，包括微处理器、电压采集电路、温度采集电路和关断控制电路；电压采集电路、温度采集电路和关断控制电路均与微处理器连接并控制；子板的电压采集电路中，第一多路选择器的多个信号输入端分别接老化车的多路测试电源的输出电压；第一多路选择器的输出端依次经放大电路和第一A/D转换器与微处理器的输入端口相连；第一多路选择器的片选端和通道选通端均与微处理器的输出端口相连。该老化车测试监控系统中的子电路板能支持老化车上多路电压和温度的采集，完成多个开关电源的自动化测试。

Description

老化车测试监控系统中的子电路板

技术领域

本发明涉及一种老化车测试监控系统中的子电路板，特别是涉及一种针对数据采集量大、测试通路多的开关电源老化测试的老化车的监控系统和方法。

背景技术

开关电源在出厂前都必须经过老化测试，老化测试通过控制温度、湿度等环境，电源在该环境下运行规定时间，同时检测各个测试电源的电压和负载电阻的温度。如果电源在测试过程中电压或温度数据出现异常，则测试不能通过，且为了保障安全需立即切断电源回路；如果测试时间内没有异常，则测试合格，测试完毕切断测试电源。

通常电源老化测试都是在老化房中的老化车上完成的，老化房通常包括若干台老化车，一台老化车可以同时测试100～200个电源。目前，很多老化车的自动化程度还不高，需要人工检测测试状况、手动断电等，或因系统太过复杂而价格太过昂贵。因此，研发一款自动化程度高、价格相对低廉的老化车监控系统具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种老化车测试监控系统中的子电路板，该老化车测试监控系统中的子电路板能支持老化车上多路电压和温度的采集，完成多个开关电源的自动化测试。

发明的技术解决方案如下：

一种老化车测试监控系统中的子电路板(后文简称为子板)，包括微处理器、电压采集电路、温度采集电路和关断控制电路；电压采集电路、温度采集电路和关断控制电路均与微处理器连接；

电压采集电路中，第一多路选择器的多个信号输入端分别接老化车的多路测试电源的输出电压；第一多路选择器的输出端依次经放大电路和第一A/D转换器与微处理器的输入端口相连；第一多路选择器的片选端和通道选通端均与微处理器的输出端口相连。

所述的放大电路为基于二级放大的放大倍数可调的放大电路，其电路结构为：

第一运算放大器的正输入端经电阻R1接第一多路选择器的输出端；第一运算放大器的负输入端经电阻R5接地；第二多路选择器的N个输入端分别经N个电阻接到第一多路选择器的输出端；N≥2，第二多路选择器的输出端接第一运算放大器的输出端；第二多路选择器的通道选通端接微处理器的输出端口，第一运算放大器的输出端还通过电阻R3接第二运算放大器的正输入端；第二运算放大器的负输入端经电阻R6接地；第二运算放大器的正输入端与输出端之间跨接有电阻R4；第二运算放大器的输出端接第一A/D转换器的信号输入端。

所述的第一多路选择器共8个，均为16选1的模拟选择器，总共接入128路电压信号，所有第一多路选择器的输出端均短接后与放大电路的输入端相接；

所述的第二多路选择器为4选1的模拟选择器；N＝4；与第二多路选择器输入端相连的电阻为4个不同阻值电阻。

温度采集电路中，第三多路选择器的多个信号输入端分别接老化车的多路温度传感器的输出电压；第三多路选择器的输出端依次经二级放大电路和第二A/D转换器与微处理器的输入端口相连；第三多路选择器的片选端和通道选通端均与微处理器的输出端口相连；所述的第三多路选择器为16选1的模拟选择器；所述的二级放大电路为由2个运算放大器级联而成的放大电路。

关断控制电路中，串并转换器的串行数据输入端SI、移位控制端RSCK和寄存器写入控制端RCK均与微处理器的输出端口相连，串并转换器的M个并行输出端分别接M个输出单元；M≥8；

微处理器还通过一个单独的输出端口连接一个输出单元以控制老化车的总电源；

每一个输出单元的结构为：输出单元的信号输入端通过电子R169接PNP三极管的b极；PNP三极管的e极接电源正极，PNP三极管的c极接二极管D1的 负极，二极管D1的正极接地；继电器的线圈与二极管D1并联；继电器具有3个输出触点，第一触点与第二触点组成常闭开关，第一触点与第三触点组成常开开关；

输出单元与串并转换器的M个并行输出端的第i个输出端连接时，第一触点接老化车的第i路电源Vsi；第二触点接老化车电源Vs，第三触点接地；i＝1，…，M；

输出单元与微处理器的单独的输出端口连接时，第一触点接老化车电源Vs；第二触点接外接电源Vss，第三触点接地。

所述的老化车测试监控系统中的子电路板还包括与微处理器相连的无线通信模块；所述的无线通信模块为ZigBee通信模块。

无线分布式电源老化测试监控具体实施时，如图1所示，采用至少一块子板监控对应数量的老化车；子板通过无线通信模块与主板通信，主板上设有报警模块；子板1)通过电压采集电路采集老化车上多个测试电源的输出电压，2)通过温度采集电路采集老化车上多个测试电源对应的负载电阻上的温度，3)通过关断控制电路控制每一个测试电源的供电。

在电压采集电路中，通过多个受控于微处理器的第一多路选择器选通一路电压信号经信号放大及A/D转换后进入微处理器；信号放大由放大倍数可调的放大电路实现；

在电流采集电路中，通过多个受控于微处理器的第三多路选择器选通一路温度信号经信号放大及A/D转换后进入微处理器；

在子板的关断控制电路中，微处理器通过串并转换器控制多个基于继电器和三极管的输出单元，最终控制老化车的任一路输出电源接入电源VS或断开电源VS；

微处理器还通过一个单独的输出端口连接一个所述的输出单元以控制老化车的总电源是否接入外接电源VSS。其特征在于，其特征在于，采用前述的老化车测试监控系统中的子电路板实现电源老化测试。

有益效果： 

本发明的老化车测试监控系统中的子电路板，采用了端口扩展技术，提高单片机IO口使用效率，节约系统成本。

所述端口扩展技术，在子板电压和温度采集电路中使用了模拟数据选择器和总线驱动电路，使得一块子板可采集128路或更多电压和温度参数，在子板关断控制电路中使用了串并转换电路，可独立控制128路或更多路电源的关断和总电源的关断。

子板(即老化车测试监控系统中的子电路板)通过ZigBee无线通信技术接受主板管理，以减少系统连线，方便安装和管理；

本发明采用模块化设计、无线通信方式，具有安装维护简单、自动化程度高等特点。多个子板可以采用分布式连接方式与主板通信，易于扩展，使用灵活方便。

附图说明

图1为电源老化监控系统架构图；

图2为子板系统框图；

图3为主板系统框图；

图4为子板电压采集电路；

图5为子板温度采集电路；

图6为子板关断控制电路；

图7为子板通信模块；

图8为主板电路；

图9为子板主程序流程图；

图10为子板串口接收中断处理函数流程图；

图11为子板定时中断处理函数流程图；

图12为主板主程序流程图；

图13为主板串口0接收中断处理函数流程图；

图14为主板串口1接收中断处理函数流程图。

图15为上位机软件架构图；

图16为上位机主界面示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

首先介绍老化车测试监控系统中的子电路板应用的总体环境，如图1，系统主要包括检测子板、主板和上位机，每个检测子板负责一台老化车的监测工作，当电源状态变化或者定时已到时子板能将相应信息上传给主板，并能对进行继电器的关断控制。主板主要负责与上位机的通信、子板的管理、报警，子板的管理主要是电压、温度、时间阈值的设定，主板和子板间通信使用的是ZigBee无线通信，可大大减少系统接线，提高系统的可扩展性。在上位机上，可以设置测试的电压和温度阈值、测试时间，可查看测试电源状态，同时软件可自动控制各路测试电源的关断，并将事件记录到系统日志中。测试完毕，自动关闭系统主电源，同时形成测试报告。

子板子系统如附图2所示：分为电压采集通路、温度采集通路、关断控制模块、通信模块四个部分。电压采集首先经过多路数据选择器(具体是选用16选一的器件。)选择需要采集的通路，也可以节省IO口的使用，然后经分压电路(需要时)、放大电路和A/D转换器后输入到MCU中；温度采集通路采用NTC热敏电阻，具有较强的抗干扰能力；关断控制模块中，采用串行方式输出关断指令，然后经穿并转换电路转成16路关断指令控制驱动电路，最后驱动电路驱动继电器的关断；通信模块中，MCU通过串行总线与ZigBee模块通信，ZigBee模块再通过无线传输方式与主板通信。由于系统数据量很大，因此只有测试电源的状态改变的数据才会上传，通信模块只传输少量状态变化数据和一些控制指令。

主板系统框图如附图3所示：主板配有ZigBee通信模块与子板通信，以进行参数设置和接收电源状态改变信息；报警子系统负责根据电源状态信息控制信号灯的亮灭；最后采用232总线与PC机进行通信。

1、硬件电路设计

1.1子板硬件电路设计

子板主控芯片采用某51内核单片机，它采用成熟的51内核，拥有丰富的IO口可供使用(80个)，非常适合本项目应用。此外，还集成了8路输入的12位ADC、2路独立的UART通信模块。

电压采集通路采用16选1模拟数据选择器CD4067，数据选择器通过片选和地址总线选择对应通路，片选由单片机P4口控制，地址由P5口通过一锁存器控 制，使得MCU的控制信号同时输入到CD4067的地址口，以增强对模拟选择器控制的稳定性。放大电路采用两级运放方式，第一级放大倍数可调，第二级纠正输入电压极性。放大电路的放大倍数可通过模拟选择器控制调节，放大倍数控制由单片机的P0.4和P0.5组合控制，分为四个档，对应的放大倍数分别为10倍、5倍、3倍、1倍，其输入对应的电压分别为3.5～5V、9～12V、18～24V、48～53V(即输入3.5～5V的电压经统一分压后放大10倍，输入9～12V的电压经统一分压后放大5倍，输入18～24V的电压经统一分压后放大3倍，输入48～53V的电压经统一分压后放大1倍)。电压采集设计了8路，每路经16选1模拟数据选择器可采集16路电压，这样每块子板可以负责采集128路电压。电压采集电路如附图4所示。

温度采集通路采用热敏电阻，如附图5中的RT1～RT127，温度测量范围为-30℃～125℃，具有很强的抗干扰能力，能适应开关电源强干扰的工作环境。温度采集通路同样通过16选1模拟数据选择器，其控制方式和电压采集相同，片选由单片机P6口控制，地址由P7口控制，地址总线同样采用了总线驱动器。温度通路放大电路同样采用两级运放方式，但是放大倍数不可调。温度采集同样每组16通道，8组共128路通道。温度采集电路如附图5所示。

关断控制采用了串并转换电路，采用了串并转换芯片74LS595的级联连接方法如附图6所示，以16路控制为一组，共8组，只需3组IO口即可实现128路关断控制。此外还有一路直接由单片机GPIO控制，这一路用来控制老化车总电源关断。各个测试电源关断控制由单片机P1～P3口控制，而整台老化车关断由P0.7控制。关断驱动电路采用PNP型三极管驱动。关断控制电路如附图6所示。图中V₀～V₁₂₇为128路测试电源，V_S为老化车电源，V_SS为外接电源。

通信模块中ZigBee通信采用成熟的电路模块，子板通过RS232与ZigBee模块通信。因此子板中增加一片电平转换芯片MAX232将TTL/CMOS电平转化为RS232电平即可，如附图7所示。子板的通信模块的RX、TX与ZigBee模块的RX、TX交叉连接即可实现单片机与ZigBee模块间的通信。

1.2主板硬件电路设计

主板主控芯片与子板一样，主板设有两路串口通信电路，一路与ZigBee模块通信，一路与PC机通信；此外还有报警电路，采用红、黄、绿三色LED灯和 一个蜂鸣器作为报警装置。主板电路如附图8所示：

2、软件设计 

2.1子板程序设计 

子板软件的信号采集和安全监控工作在主程序中完成，子板主程序如附图9所示。采用巡回方式采集各个电源的电压和温度信息，并根据采集信息分析传感器故障、电源状态。若有传感器故障则将故障信息通过串口传输到ZigBee模块，ZigBee模块再以无线传输的方式上传到主板；若是电源状态信息发生改变(正常→异常或异常→正常)，则采取相应的关断控制，并将电源状态信息上传，其上传方式与传感器故障信息上传的一样。

子板的串口接收中断处理函数负责接收主板经ZigBee无线通信模块发送来的阈值设定和关断控制指令，然后按照指令信息进行阈值重设或者关断控制，其流程如附图10所示。

为了实现老化车的定时断电功能，主程序设定并启动了定时器，而定时中断处理函数就负责定时到达后的断电操作，断电后将完成指令经ZigBee无线通信模块上传到主板，然后等待重启。定时中断处理函数流程图如附图11所示。

2.2主板程序设计 

主板在系统中主要起管理和协调功能，其主程序主要负责系统和参数的初始化工作，然后是空循环等待，主程序流程图如附图12所示。主板通过串口0再通过ZigBee无线通信模块与子板通信；主板与PC机的通信则直接通过串口1完成。因此，主板串口0接收中断处理程序主要处理接收子板发来的数据，而串口1接收中断处理函数主要处理PC机上传来的指令。

串口0中断处理函数主要负责处理子板发送的信息。程序解析出信息类型后，按照信息类型分别完成阈值的发送(发送给请求的子板)、报警控制、电源状态上传、传感器故障上传、完成指令上传等工作，其流程图如附图13所示：

串口1接收中断处理函数则负责处理上位机软件发送的阈值设定、关断控制等指令信息，接收到的指令再通过Zigbee无线通信发送给子板。其流程图如附图14所示。

2.3ZigBee程序设计

ZigBee模块在系统中只是负责数据的传输任务，其工作流程是不断的接收和 转发数据，其中，每块子板上的ZigBee模块只接收主板ZigBee模块的数据，主板ZigBee模块则接收其他所有ZigBee模块的数据。

子板ZigBee模块的主程序主要负责ZigBee模块的初始化，然后等待串口接收中断和ZigBee接收中断。 

主板负责ZigBee模块程序设计与子板的类似，只是ZigBee接收中断处理少了一个数据源验证步骤。

2.3上位机软件设计

上位机软件架构如附图15所示，主要包括系统管理、参数设置、状态显示、故障显示、老化车管理几个模块，系统主界面如附图16所示。系统管理模块的功能有账户管理、权限管理、系统日志等，确保系统安全运行；参数设置模块主要是负责电压、温度检测阈值的设定，老化车测试时间的设定；状态显示模块负责显示老化车及电源的状态显示，拟采用图形化显示方式分页显示，每页显示一台老化车及其测试电源的实时状态，每个电源的状态用颜色区分，绿色为正常，红色为异常；故障显示模块负责显示传感器故障信息，采用表格方式显示，表格信息应包括故障传感器所属老化车、在老化车中的编号及其位置、可能的故障类型等；老化车管理模块负责故障排除恢复工作或者完成测试后进行下一次测试时对老化车的一些关断操作。

子板与主板采用了无线分布式管理设计。主板与子板采用了主从设计，一块主板可管理256块检测子板，每块子板可管理128路电源的老化测试过程监控。主板与子板间采用ZigBee无线通信技术，可简化系统连线，方便系统安装和管理。系统可通过软件设置实现电源老化测试监控的智能管理。系统软件可以设置电源老化测试所需的电压检测阈值、温度监控阈值、老化测试时间等一系列电源老化测试参数；同时系统还能在异常情况下实现断电、故障显示等功能；最后能够在测试完成后自动断电，形成测试报表等功能。

子板通过采用一系列端口扩展技术，通过1片廉价的8位单片机即可以管理多达128路电源的老化测试监控。电源老化监控内容包括：电压、温度信号的采集、电源关断控制、测试参数设置等。

所述端口扩展技术，其特征在于在电压、温度采集电路中分别采用了8组16选1模拟数据选择器进行端口扩展，如附图4和附图5所示。微控制器通过控制 数据选择器的地址总线和片选控制端，可选择128路测试电源的电压和温度采集信号。为了确保驱动地址总线的驱动能力，微控制器控制端口与地址总线之间接有总线驱动芯片。

所述端口扩展技术，其特征在于在关断控制电路采用串并转换电路实现关断控制电路的端口扩展。串并转换电路由8位串并转换芯片组成，每两个8位串并转换芯片级联成一组16位串并转换电路，8组该电路组成了128路独立电源关断控制电路，如附图6所示。

Claims (5)

1.一种老化车测试监控系统中的子电路板，其特征在于，包括微处理器、电压采集电路、温度采集电路和关断控制电路；电压采集电路、温度采集电路和关断控制电路均与微处理器连接；

电压采集电路中，第一多路选择器的多个信号输入端分别接老化车的多路测试电源的输出电压；第一多路选择器的输出端依次经放大电路和第一A/D转换器与微处理器的输入端口相连；第一多路选择器的片选端和通道选通端均与微处理器的输出端口相连；

所述的放大电路为基于二级放大的放大倍数可调的放大电路，其电路结构为：

第一运算放大器的正输入端经电阻R1接第一多路选择器的输出端；第一运算放大器的负输入端经电阻R5接地；第二多路选择器的N个输入端分别经N个电阻接到第一多路选择器的输出端；N≥2，第二多路选择器的输出端接第一运算放大器的输出端；

第二多路选择器的通道选通端接微处理器的输出端口，第一运算放大器的输出端还通过电阻R3接第二运算放大器的正输入端；第二运算放大器的负输入端经电阻R6接地；第二运算放大器的正输入端与输出端之间跨接有电阻R4；第二运算放大器的输出端接第一A/D转换器的信号输入端。

2.根据权利要求1所述的老化车测试监控系统中的子电路板，其特征在于，所述的第一多路选择器共8个，均为16选1的模拟选择器，总共接入128路电压信号，所有第一多路选择器的输出端均短接后与放大电路的输入端相接；

所述的第二多路选择器为4选1的模拟选择器；N＝4；与第二多路选择器输入端相连的电阻为4个不同阻值电阻。

3.根据权利要求1所述的老化车测试监控系统中的子电路板，其特征在于，温度采集电路中，第三多路选择器的多个信号输入端分别接老化车的多路温度传感器的输出电压；第三多路选择器的输出端依次经二级放大电路和第二A/D转换器与微处理器的输入端口相连；第三多路选择器的片选端和通道选通端均与微处理器的输出端口相连；所述的第三多路选择器为16选1的模拟选择器；所述的二级放大电路为由2个运算放大器级联而成的放大电路。

4.根据权利要求1所述的老化车测试监控系统中的子电路板，其特征在于，关断控制电路中，串并转换器的串行数据输入端SI、移位控制端RSCK和寄存器写入控制端RCK均与微处理器的输出端口相连，串并转换器的M个并行输出端分别接M个输出单元；M≥8；

微处理器还通过一个单独的输出端口连接一个输出单元以控制老化车的总电源；

每一个输出单元的结构为：输出单元的信号输入端通过电子R169接PNP三极管的b极；PNP三极管的e极接电源正极，PNP三极管的c极接二极管D1的负极，二极管D1的正极接地；继电器的线圈与二极管D1并联；继电器具有3个输出触点，第一触点与第二触点组成常闭开关，第一触点与第三触点组成常开开关；

输出单元与串并转换器的M个并行输出端的第i个输出端连接时，第一触点接老化车的第i路电源Vsi；第二触点接老化车电源Vs，第三触点接地；i＝1，…，M；

输出单元与微处理器的单独的输出端口连接时，第一触点接老化车电源Vs；第二触点接外接电源Vss，第三触点接地。

5.根据权利要求1-4任一项所述的老化车测试监控系统中的子电路板，其特征在于，还包括与微处理器相连的无线通信模块；所述的无线通信模块为ZigBee通信模块。