低电压输出直流电源的测试老化系统

冉 霞

（1.瓦斯灾害与应急信息技术国家重点实验室，重庆,400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆,400039）

0 引言

KJ90N 系列矿井安全监控系统，主要应用于煤矿行业安全生产现场的监测监控，是集环境安全、生产监控、信息管理和多种子系统为一体的分布式煤矿综合监控系统。KJ90NA/NB 系统主要由中心站主机、监控分站、防爆电源、各种传感器等设备组成，其中，防爆电源输出本质安全型直流稳压电源（简称本安电源），给该系统的各种设备提供电源。以KDW0.3/660(A/B)型矿用隔爆兼本安直流稳压电源为例，其输出的本安电源主要包括5VDC、12VDC、18VDC、24VDC 等4 档。当本安电源装配完毕之后，为了提高其可靠性、降低失效率，需要在生产过程中进行相关的测试与老化工作。

旧有本安电源电路板测试老化的方式如下，首先工人对电源板进行手动测试，然后置入专用的防爆电源箱体中进行老化，最后再次对老化之后的电源板进行手动测试复检。该测试方式除了不便于发现硬件的潜伏缺陷之外，还存在操作不便，占用大量人力、物力等资源，占地面积多、易被负载电阻烫伤等缺陷，因此，为了满足安全生产和增质降耗等相关要求，笔者设计出一种可靠性好、能自动判断报警的测试老化系统。

1 系统设计分析

为了解决旧有的本安电源电路板测试老化的相关缺陷，本设计首先提出四大设计要点，即符合相关标准及安全、结构紧凑、操作方便、智能监控等。具体设计要点如表1 所示。

表1 系统设计要点

2 系统工作原理

本测试老化系统主要由上位机和本安电源测试老化装置组成，其中，本安电源测试老化装置主要包括中位机、测试老化单元、供电单元等部分，测试老化单元接入测试老化的5V、12V、18V、24V 电源板；供电单元给被测试老化的电源板（以下简称受试电源板）提供安全的直流电源。

中位机采集电源板的输出电压电流参数，并显示相关的参数信息，同时将参数通过RS485 通讯上传至上位机中心站软件进行处理，同时本地判断所有的电源板是否工作正常，若出现不正常的电源板将关闭该路电源的输入，同时进行该路电源故障的报警。

上位机中心站软件显示所有受试电源板的参数信息，并选择受试电源板电压类型。如果上位机软件显示的电源板参数不在所期望的参数范围内，那么上位机软件就会自动判断其发生故障，同时会对出现故障的受试电源板进行报警提示，自动记录相关参数并且保存到数据库中，提示生产人员对出现故障的受试电源板进行检查维修，直至所有批量生产的受试电源板合格入库。其系统总体结构如图1 所示。

3 测试老化装置硬件设计

测试老化装置的硬件以高性能16 位数字控制器dsPIC33EP128MC204 为核心，主要包括数字处理器单元、电源供电单元、电源输入控制单元、测试老化单元、采样单元、负载控制单元，以及通讯单元、报警单元、显示单元等结构。测试老化装置硬件电路工作原理如图2 所示。

安全栅输出的电源经过开关电源电路稳压之后，将电压由DC24 V降低为5V，再经过第二级LDO降压芯片稳压为3.3 V之后，输出电源给控制器供电。

图1 系统总体结构

图2 测试老化装置硬件电路工作原理框图

数字处理器采集受试电源板的各级电压、各级电流等关键指标参数，通过液晶显示屏、LED 状态指示灯等进行状态显示；发生故障时进行显示报警，同时蜂鸣器进行声音提醒；相关指标参数通过RS485 通讯单元上传至上位机。

外部供电电源经过开关电源和安全栅电路，给受试电源板供电；数字控制器通过电源输入控制单元分别控制每路受试电源板的启停，处理器通过采集电路采集受试电源板及其负载电阻的温度，实时监测系统的温度状态，当接入的受试电源板发生故障时，上传报警信息，并切断输入电源。

3.1 采集电路

采集电路实时采集每路受试电源板的电压、电流及温度参数，保证每路受试电源板的工作正常，同时采集系统总体的温度，依次作为调节风扇风量大小的依据。

每路受试电源板需要采集3 个参数，其中，电压采集可直接通过采样电阻分压而得；电流采集通过采样电阻获得电压信息，再进入采集信号运算放大电路中进行信号放大；温度采集可通过NTC 热敏电阻和电阻分压获得。由于本设计同时测试老化64路受试电源板，故需要采集192 个参数，再加上系统的总体温度，则采集的参数达到了193 个。因此，采用多路选择开关芯片CD4051 来减少占用数字控制器IO 管脚的数目，同时采用多路、多级的选择开关芯片之后，进入数字控制器IO 管脚进行A/D 采样及内部分析处理。

电流采集信号运算放大电路如图3 所示，多路选择开关电路如图4 所示。

图3 电流采集信号运算放大电路

图4 多路选择开关电路

3.2 控制电路

图5 RS485 通讯电路

电源输入控制功能是当受试电源板发生故障或者需要断开电源时，数字控制器输出隔离信号，并经过继电器来断开受试电源板的所有输入电源，避免出现不应有的安全隐患。

由于该测试老化装置集成5V、12V、18V、24V 等多种受试电源板为一体，每一种受试电源板的测试及老化参数不一致，其所接负载电阻也不一样，因此，本设计通过负载控制单元调节每种受试电源板的负载类型。当然，同一批上线的受试电源板的电压输出等级最好相同，这样有利于方便、快速、准确、安全的进行生产和质检。

3.3 通讯电路

RS485 通讯实现微处理器与中位机的数据通讯，将微处理器采集的数据信息上传至中位机，并将执行中位机的控制指令。RS485 通讯转换采用差分数据收发器芯片SN65LBC184 来完成。为了防止较大的浪涌能量损坏器件，采用和隔离和过压的保护方式来实现。上位机中心站软件通过RS485 通讯电路下发读取以及控制指令给硬件电路，硬件电路单片机收到指令后，便把采集到的参数值和控制反馈命令通过RS485 通讯电路上传至上位机中心站软件，从而完成相关的数据传输。RS485 通讯电路工作原理如图5 所示。

4 中位机软件设计

中位机的软件程序主要包括主程序、与上位机通讯中断服务子程序等。在主程序中，包括初始化、显示状态、巡检测试单元数据、判断相关数据是否正常、与上位机通信、冷却风扇风量控制等。其中，冷却风扇风量控制是为了使用安全和保护装置，程序依据系统的温度状态来调节风扇风量的大小，使系统温度保持在正常的范围内。

当有上位机数据发生通讯时，进入通讯中断服务子程序。在本通讯子程序中，接收和发送数据时不允许中断，故首先清除中断标志并禁止中断，再读取上位机下发的通讯数据，并回发数据至上位机，最后再次开启中断。中位机流程如图6 所示。

5 其他

本系统上位机软件开发是基于Visual Studio 2012 为开发平台，主要功能模块包括：RS485 通讯、数据分析处理、电压值实时显示、数据存储、数据查询、数据打印、声光报警等。

为减少受试电源板所占用的空间面积，系统装置设计采用了小巧型立体式的柜式结构，大大降低了测试老化占用的车间空间面积，并且还配有散热风扇，使受试电源板在测试老化期间散发的热量都通过散热风扇散热出去。

6 应用

图6 中位机程序流程

经过半年多的运行测试表明，系统各模块正常工作，软硬件工作均稳定可靠，汇总连续6 个月本安电源的生产数据，对比实施本系统前后的生产周期，发现其对测试老化出现的故障周期由7 天缩短为4 天。同时，该系统具有工作可靠性高、稳定性好、安全高效等特点，本安电源测试老化装置占地面积只有0.315m2，大大节省了实际的占用空间和面积。

7 结语

综上所述，基于本安型直流电源的测试老化系统，是基于16位DSP 技术的中位机硬件设计，合理设计了一系列外围电路接口，采用C#.NET 技术的上位机软件开发，与上位机软件的配套使用，能实现自动测试及老化本安电源。本系统简化了电源板检验以及老化的流程，提升了测试老化的效率，缩短了生产周期；能进行实时监测、数据存储、故障预警、故障提示、智能关机等功能，实现了生产过程的智能化；具有工作可靠性高、稳定性好、安全高效等特点，同时也降低了生产成本。该设计应用对于其他低电压输出电源的测试及老化也具有较好的借鉴作用。

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