某型导发架内部三相电源鉴相电路板设计*

陈利安，肖明清，禹 航

(空军工程大学自动测试系统实验室，710038)

0 引言

空空导弹是现代空战中最重要的武器之一。它必需通过导发架发射，因此，导发架功能的好坏会直接影响空空导弹能否正常发射，进而可能影响战局。某型导发架内部的115V三相400Hz电源，用以给某型导弹供电。电源性能的好坏，将直接影响导弹能否正常工作。相序不正确，将可能导致陀螺转向改变，造成严重后果[1]。因此，测试导发架电源的性能有重要意义。

在以往测试中，各相电压主要利用万用表测试，相序需要用示波器测量，测试频率需要用计数器，需要的测试资源多，测试效率低，且不能实现自动测试。文中利用C8051F410设计了一种三相鉴相电路板，分别测试其内部电源的相序、各相电压和各相频率;并能将测试结果通过RS422通讯方式发送给上位机。经验证，误差在2%以内，测试精度高，且提高了测试效率。

1 系统总体设计

1.1 需求分析

某型发射架中的三相电源，标准幅值为115V(有效值)，频率为400Hz，相角相差120°。设此三相电源的数学表达式为：

其中：Qmax为最大幅值;ω为角频率。各项指标如下[1]：

1)各相电压幅值(有效值)：110V、120V;

2)频率：395～405Hz;

3)相序要求是正序(A→B→C)。

1.2 总体设计

系统的总体结构如图1所示。待测三相电源通过继电器引入，分成3组，分别测试电压、频率和鉴别相序。上位机与单片机(C8051F410)之间采用RS422方式通讯。为简化电路设计，所选用的单片机内部集成AD转换器。

图1 系统总体设计框图

2 硬件设计

2.1 主要器件选型

根据系统设计要求，单片机采用Silicon Labs公司的C8051F410。它是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU，支持非侵入式的在系统调试接口，12位200ksps的24通道ADC，带模拟多路器开关和增强型UART等[2]，为方便本系统设计。

真有效值转换芯片选用ANALOG DEVEICES公司的 AD536AKN，它是一种交直流转换芯片。在±15V电源供电时，转换后的直流电压范围是 0～7V[3]。

与上位机通讯采用RS422通讯方式，RS422芯片选用 MAX485[4]。

2.2 各分系统设计

2.2.1 分压电路

在以往的测试中，主要利用万用表，示波器、计数器等测量，可不经过分压，直接测试，但是不利于组建自动测试系统。由于AD536AKN的电压转换范围限制，应在交直流转换前作分压处理。采用的分压电路如图2所示。

图2 分压电路

R1、R2选用高精度电阻，减少误差。R1选220kΩ，R2选10kΩ，设合格电压为 Vs，待测电压为Vx，在输出端得到的电压值为：

由于AD536AKN的直流电压转换范围是0～7V，因此，可测Vx的范围是0～147V，包含合格电压Vs。

2.2.2 交直流转换电路

用分压电路的输出作为本级输入，采用AD536AKN的标准连接电路，如图3所示。其中R3是可调电阻。转换后的值输出到C8051F410的IO口，本设计中选择 C8051F410 的 P0.0～P0.2。

图3 交直流转换电路

调整输入电阻R3，在115V输入时，使Vin端输入电压为4V。在本系统中，选择参考电压为+5V，根据电路的线性性：

因此，可测Vx的范围是0～143.75V。满足系统设计要求。

2.2.3 相序判定电路

某导发架内部三相电源如图4所示，各相分别为正弦周期信号。

图4 某导发架内部三相电源示意图

相序判定主要利用的器件是比较器和D触发器，结果正确时，输出低电平，同时LED灯点亮。结果错误时，输出高电平，LED不点亮。如图5所示。

相序正确时，A、B、C待测三相经过比较器后，形成脉冲序列如图6所示。

图5 相序判定电路

图6 相序正确时序图

根据D触发器的状态转移特性，在时钟信号CLK为低电平时，D触发器的输出端 Q保持不变，当CLK为高电平时，它的转移特性如图7所示[5]。

时钟信号为B相，当相序正确时，由图5可看出，经或非门(U12A)输出为低电平。

若相序错误，如B相与C相顺序错误，则表达式变为：

图7 钟控D触发器状态转移图

经过比较器后，产生的时序如图8所示。

图8 相序错误时序图

2.2.4 测定频率

频率测试点从比较器的输出端引出，直接连接至C8051F410的IO口，利用MCU内部计数器测量。本设计中，选择 P0.6 和 P0.7。

3 软件设计

软件流程如图9所示。系统开机进入等待命令模式，握手成功后，可接收主机发送的命令选择测量电压、监测相序和测量频率。

3.1 测幅值

在实际电路中，A相、B相和C相进行交直流转换后，分别连接至单片机的P0.0～P0.2口。在C8051F410内部进行AD转换，将转换后值换算成实际值。参考电压选用C8051F410内部参考电压5V，因此调整图4交直流转换电路中的R3，使输出电压为4V。

在这个过程中，最重要的工作是如何将单片机中AD采集到的值与实际值对应起来，在本设计中采用的方法是分区间设定转换系数的办法。

转换系数的依据是利用电路的线性性。本电路的工作在常温状态下，因此系数在常温下测得。具体方法是：

1)首先给本电路板输入不同的电压值，用精确电压表测得电压，记录在矩阵M中。

2)在交直流转换的输出端测得对应电压，记录在矩阵N中，以下是示例，在实际应用中应增加取样数，提高精度。

M=[110.0111.2113.9115.3118120.6 122.3];N=[3.83 3.87 3.96 4.02 4.11 4.20 4.26]。

3)用矩阵M中的值除以对应N矩阵中的值，得到矩阵Q：

Q=[28.70 28.70 28.74 28.68 28.69 28.7128.70]

4)对矩阵Q分区间，求得各区间的平均值矩阵R。

在实际程序中，分为100～110;110～113;113～117;117～120;120～125共5个区间。若测出值不在此区间内，直接回错误代码0xFF。利用在此条件下得到的N矩阵作为程序判断区间的依据，由此得到系数矩阵。在单片机AD转换后，先判断区间，乘以相应的转换系数，就可得到实际值。

图9 软件流程

3.2 测频率

测频率时用到两个定时器，定时器1定时，定时器2计数。使定时器1中断，取出定时器2中的数值保存，并清空定时器2。为提高测试精度，采用多次测量求平均值办法，将每5s钟测量出的5个值平均，减小误差，各相频率依次测量，每相分配时间30s。

3.3 测相序

相序判定已经由硬件实现，在软件中要做的是直接读IO口，高电平表示相序错误，低电平表示相序正确。

3.4 通讯协议

采用RS-422通讯，它是一种平衡传输规范，数据信号采用差分传输方式[6]。在本设计中，定义了上位机发送命令字格式和鉴相板回发字格式。

4 结论

文中所述设计已投入实际应用，结果表明，幅值误差在2%以内，频率误差在0.5%以内，相序测量正确，结果可信。提高了测试效率，有利于组建自动测试系统。

[1]肖明清.某型导弹系统引论[M].西安：空军工程大学工程学院，2007.

[2]Silicon Labs.C8051F410技术手册[OL/M].http：//download.csdn.net/tag/c8051f/orderbypubdate/28.

[3]ANALOG DEVICES.True RMS-to-DC Converter AD536A 技术手册[OL/M].http：//www.datasheetcatalog.org/datasheet/analogdevices/320060823AD536A_b.pdf

[4]MAXIM.MAX485技术手册[OL/M].http：//www.waveshare.net/datasheet_pdf/MAX485-PDF.html.

[5]IEEE.422 通讯规范[OL/S].http：//standards.ieee.org/.2011.

[6]王毓银.数字电路逻辑设计(脉冲与数字电路)[M].3版.北京：高等教育出版社，2002.