設(shè)備信號(hào)綜合測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

1、<p>　　設(shè)備信號(hào)綜合測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)</p><p>　　摘要：信號(hào)測(cè)試是設(shè)備安全運(yùn)行的重要前提條件。測(cè)試平臺(tái)以及所采取的技術(shù)措施往往決定著所得測(cè)試數(shù)據(jù)的客觀性。為此，本文以城市軌道交通工程中的信號(hào)測(cè)試項(xiàng)目為例，采用當(dāng)前比較先進(jìn)的綜合測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)測(cè)，根據(jù)測(cè)試要求完善測(cè)試流程及配套技術(shù)措施，以確保測(cè)試數(shù)據(jù)的客觀性，從而為軌道安全運(yùn)行提供具有公信力的信號(hào)測(cè)試依據(jù)。 </p><

2、p>　　Abstract： Signal testing is an important prerequisite for the safe operation of equipment. Test platform and the technical measures taken are often decided the objectivity of the data. Therefore， this paper takes

3、the signal test project in urban rail transit project as an example， uses the current comprehensive test platform for testing， and improves the testing process and supporting technical measures according to the test requ

4、irements to ensure the objectivity of the test data， so as to provi</p><p>　　關(guān)鍵詞：采集裝置；信號(hào)檢測(cè)；單片機(jī)；電源模塊；上位機(jī) </p><p>　　Key words： harvester；signal detection；singlechip；power module；host computer <

5、/p><p>　　中圖分類號(hào)：TN911.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）24-0153-04 </p><p><b>　　0 引言 </b></p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路。模擬信號(hào)的傳輸頻率、信號(hào)周期以及峰峰值對(duì)電路工作狀態(tài)的影響非常大，信號(hào)按照設(shè)定的頻率、周期進(jìn)行傳輸

6、，無疑是確保轉(zhuǎn)換器正常工作的重要條件。 </p><p>　　鄭州計(jì)量檢測(cè)公司中標(biāo)鄭州市軌道交通2號(hào)線一期工程通信系統(tǒng)第三方檢測(cè)項(xiàng)目。該工程起于廣播臺(tái)站，止于南四環(huán)站，線路長(zhǎng)20.649km，均為地下線，設(shè)車站16座（其中紫荊山站與1號(hào)線同步實(shí)施），設(shè)車輛段1處，控制中心設(shè)于鄭州軌道交通控制中心大樓內(nèi)。檢測(cè)中心最終利用專業(yè)化的信號(hào)綜合測(cè)試平臺(tái)順利完成該工程的信號(hào)測(cè)試工作，為軌道正常運(yùn)行提供了可靠的信號(hào)檢測(cè)依據(jù)。此

7、外，測(cè)試過程中，針對(duì)該測(cè)試平臺(tái)所采取的信號(hào)測(cè)試技術(shù)也值得同類測(cè)試項(xiàng)目借鑒。 </p><p>　　1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理 </p><p><b>　　1.1 系統(tǒng)組成 </b></p><p>　　本綜合測(cè)試平臺(tái)由信號(hào)采集裝置與終端顯示裝置兩部分組成，主要用于實(shí)現(xiàn)多路（包含12路單通道，20路雙通道路）信號(hào)的調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、USB2.0串口

8、通訊以及上位機(jī)顯示、判定等，具有電壓信號(hào)的智能檢測(cè)與診斷、過壓、過流、接地等保護(hù)功能，能夠以數(shù)字與文字形式顯示電壓數(shù)值與檢測(cè)結(jié)果。其信號(hào)采集裝置包含箱體、電源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、12路單端A/D模塊、2個(gè)10路差分A/D模塊、USB串口通訊模塊及連接電纜組成；終端顯示裝置由上位機(jī)軟件與計(jì)算機(jī)組成。具體如圖1所示。 </p><p><b>　　1.2 工作原理 </b></p>

9、<p>　　信號(hào)綜合測(cè)試平臺(tái)的工作原理見圖2。多路模擬信號(hào)經(jīng)連接電纜輸入至信號(hào)采集裝置的信號(hào)調(diào)理模塊，經(jīng)信號(hào)衰減、隔離、阻抗匹配等處理；處理后的模擬信號(hào)分三路分別傳輸至12路單端A/D模塊、10路差分A/D模塊I、10路差分A/D模塊II，以分別完成數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換；各模塊經(jīng)轉(zhuǎn)換后采用UART串口方式發(fā)送至12路單端A/D模塊，該模塊再由USB2.0串口發(fā)送至上位機(jī)；上位機(jī)將接收的A/D信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

10、進(jìn)行比對(duì)，同時(shí)顯示對(duì)應(yīng)通道輸入信號(hào)是否符合要求，并進(jìn)行評(píng)判。 </p><p><b>　　2 信號(hào)采集裝置 </b></p><p><b>　　2.1 電源模塊 </b></p><p>　　電源模塊由±18VDC開關(guān)電源模塊、±15VDC-DC電源模塊、±5VDC-DC電源模塊、3.3V

11、DC-DC電源模塊、 </p><p>　　±1.2VDC-DC電源模塊組成。 </p><p>　　±18VDC開關(guān)電源用于將220VAC轉(zhuǎn)換為±18VDC電源，用于DC-DC電源變換。 </p><p>　　±15VDC-DC電源模塊采用朝陽CS18-30-15電源模塊，用于信號(hào)調(diào)理模塊放大器工作電源。 </p>

12、;<p>　　±5VDC-DC電源模塊采用朝陽CS18-20-5電源模塊，作為3.3VDC-DC與±1.2VDC-DC電源輸入。 </p><p>　　3.3VDC電源采用專用電源模塊DC-DC變換獲得，作為單片機(jī)工作電源。 </p><p>　　±1.2VDC-DC電源采用專用電源模塊變換獲得，作為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓。 </p>

13、<p>　　2.2 信號(hào)調(diào)理模塊 </p><p>　　信號(hào)調(diào)理模塊由信號(hào)衰減電路、信號(hào)隔離電路與阻抗匹配電路組成。 </p><p>　　信號(hào)衰減電路用于將26V～180VDC電壓進(jìn)行分壓，滿足輸入信號(hào)賦值范圍，同時(shí)保護(hù)后級(jí)電路。信號(hào)衰減電路利用分壓電路實(shí)現(xiàn)，采用精密電阻（誤差1%）搭建。 </p><p>　　信號(hào)隔離電路用于將經(jīng)分壓后的±1

14、5V電壓信號(hào)進(jìn)行隔離、放大至±2.4VDC，滿足A/D變換電路的輸入要求。信號(hào)隔離電路采用差分比例放大電路設(shè)計(jì)，其工作原理如圖3所示。 </p><p>　　Vo=Vi（R2/R1） </p><p>　　為適應(yīng)A/D變換電路阻抗要求，對(duì)隔離輸出電路信號(hào)采用射級(jí)輸出器，進(jìn)行阻抗匹配，電路原理如圖4所示。利用電壓跟隨器輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)，不僅匹配阻抗特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓翻轉(zhuǎn)

15、。 　　2.3 信號(hào)采集模塊 </p><p>　　本系統(tǒng)信號(hào)采集通道數(shù)量較多，且包含單端與差分兩種輸入方式，因此本系統(tǒng)將其分為3個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí)采樣轉(zhuǎn)換的方式完成系統(tǒng)硬件配置需求。3個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊分為1主2輔結(jié)構(gòu)，兩個(gè)輔助A/D轉(zhuǎn)換模塊均為10路差分輸入，1個(gè)主轉(zhuǎn)換模塊為12單端輸入。主A/D模塊與輔A/D模塊之間采用UART串口通訊，接收其轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，同時(shí)采用USB2.0串口與上位機(jī)通訊，上傳轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

16、。 </p><p>　　主A/D轉(zhuǎn)換模塊核心芯片采用C8051F340芯片，該芯片自帶17路A/D通道，1個(gè)USB2.0C，2個(gè)UART串口，滿足系統(tǒng)硬件配置需求。其A/D轉(zhuǎn)換工作原理如圖5所示。 </p><p>　　C8051F340單片機(jī)內(nèi)置的USB2.0串口為標(biāo)準(zhǔn)USB接口，符合USB2.0規(guī)范。其工作原理框圖如圖6所示。 </p><p>　　2個(gè)輔助A

17、/D模塊相互獨(dú)立，主芯片采用C8051F410芯片，該芯片自帶12路12位差分A/D輸入通道，2個(gè)UART串口通訊。能夠很好的滿足本系統(tǒng)硬件配置需求。 </p><p>　　2.4 A/D通道分配 </p><p>　　針對(duì)被測(cè)試對(duì)象30路信號(hào)，在不影響信號(hào)輸入/輸出端口定義的情況下，本系統(tǒng)對(duì)A/D通道進(jìn)行了分配，以固化其單端或差分輸入端口地址。 </p><p>

18、<b>　　3 終端顯示裝置 </b></p><p>　　終端顯示裝置工作平臺(tái)為計(jì)算機(jī)?？刂栖浖長(zhǎng)abview虛擬軟件開發(fā)的顯示界面。能夠?qū)崿F(xiàn)收集下位機(jī)上傳的信號(hào)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)先設(shè)置的取值范圍判定輸入模擬信號(hào)的性質(zhì)，同時(shí)顯示測(cè)量電壓，判定結(jié)果等信息。 </p><p><b>　　4 測(cè)試結(jié)果 </b></

19、p><p><b>　　4.1 測(cè)試指標(biāo) </b></p><p>　?、兕l率、周期測(cè)試：用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率范圍為1Hz～100kHz的方波信號(hào)（TTL電平，占空比50%），用標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)頻率，再用設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x測(cè)出頻率，求出誤差。②峰峰值測(cè)量：用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率范圍為1Hz～100kHz的正弦波信號(hào)，用標(biāo)準(zhǔn)交流毫伏表測(cè)出有效值，通過運(yùn)算得到標(biāo)準(zhǔn)峰峰值，再

20、用設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x測(cè)出峰峰值，求出誤差。 </p><p><b>　　4.2 測(cè)試結(jié)果 </b></p><p>　　通過對(duì)信號(hào)頻率和電壓峰值的測(cè)試，得到表1～表2所示的測(cè)試結(jié)果。從三項(xiàng)測(cè)試結(jié)果來看，該信號(hào)測(cè)試平臺(tái)在一定的信號(hào)周期內(nèi)，信號(hào)頻率和電壓峰值實(shí)測(cè)結(jié)果都符合標(biāo)準(zhǔn)值，個(gè)別測(cè)試項(xiàng)雖然與標(biāo)準(zhǔn)值之間有一定誤差，但是都在控制范圍內(nèi)，對(duì)總體測(cè)試結(jié)果的干擾程度非常小，所以綜合

21、測(cè)試結(jié)果符合要求。 </p><p><b>　　5 結(jié)論 </b></p><p>　　根據(jù)該軌道工程信號(hào)測(cè)試結(jié)果可以看出，本文所采用的綜合測(cè)試平臺(tái)及配套的測(cè)試技術(shù)最終能夠得到客觀的、具有公信力的測(cè)試數(shù)據(jù)，為軌道安全運(yùn)行提供了可靠的信號(hào)測(cè)試依據(jù)。在以后的同類項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中，建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)測(cè)試環(huán)境、測(cè)試要求對(duì)本套測(cè)試技術(shù)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，以使之日臻完善，不斷提高信

22、號(hào)測(cè)試水平。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]薛世潤(rùn)，高曉丁.基于單片機(jī)的鐵路巡檢儀設(shè)計(jì)[J].電子世界，2013（13）. </p><p>　　[2]先甫克特?阿布來提.通用電源模塊測(cè)試平臺(tái)上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué)，2015. </p><p>　　[3]邵宇平.寬