某型地空导弹电子设备静态测试系统设计

张兵　何义忠　周海军　王征

摘要：本系统以AT89C51单片机作为控制核心，利用继电器控制电路采集多路电压信号，经过信号整合、缓存和AD转换，将多路电压信号以数字形式在液晶屏上集中显示。本文给出了系统硬件电路的设计和系统功能实现的主程序流程图。该系统运行可靠、性能稳定，可实现静态参数的快速精准测试。

关键词：多路电压测量；静态测试；MCU控制

引言

某型地空导弹电子设备静态参数测试属于一级维护工作内容，每周车炮场日和实弹射击前都要进行该项目的维护，目的是对电子设备各组合的静态工作点交、直流电压参数进行测试，用以检查电子设备组合的性能及参数正常与否，以保证处于良好的工作状态及性能。目前，该型地空导弹电子设备静态测试采用人工方式，通过三用表和测试盒配合来进行测试，每次操作只能测量一个电压参数，而且电子设备组合多、每个组合参数多，存在测试耗时长、精度低、操作繁琐等问题。因此，基于单片机技术的多路电压测量方法运用于静态测试具有重要的意义和作用，可以实现静态参数的自动、快速、精准测试。

一、静态测试系统的工作原理

静态测试系统利用继电器控制电路采集多路电压信号，通过信号整合电路将电压信号整合成0～5V的标准直流信号，经过数据缓存电路的暂时锁存，然后再经过模数转换器将模拟电压信号转换为数字信号，最后经过单片机相应的处理后，将所测量的电压信号在液晶屏上显示出来。设计的静态测试系统主要包括单片机控制、信号采集、信号整合、数据缓存、模数转换、显示输出和键盘模块。系统设计总体思路框图如图1所示。

二、硬件电路设计

（一）信号采集模块

鉴于对电子设备组合最多13路的工作电压测量，采用13路信号继电器，在MCU的控制下完成组合各路信号通道的选通，信号采集周期为500ms。信号采集电路如图2所示。

在信号采集电路（只选取了2路作为说明）中，S和S1为信号的电源两端，忽略了测量信号的类型；通过继电器后，会输入给SN和SN1信号供后续电路的使用。在本系统中只能允许一路信号的短时间占用，其余信号都处于等待状态，待信号完成采集后，MCU会产生一个控制继电器的信号NPN1，来控制继电器的转换，如图3所示。

继电器控制信号来自MCU通过PP00-PP07端口，信号的类型和数值都是MCU内部计算后输出，是带有选择性的信号。可以实现对各个继电器选择信号通道的转换。在500ms内将一路信号依次选通完成信号采集，实现数据转换完成数据存储工作。

（二） 信号整合模块

采集后的电压信号由继电器分配给运算放大器U20，经过运算放大器的数据处理，将不同的电压信号（交流信号、直流信号、高电压信号、低电压信号）整合成0～5V直流信号以供AD模数转换器采集。信号整合电路如图4所示。

本电路U20选用LM224（四运放集成电路，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，具有电源电压范围宽，静态功耗小等优点），本身没有数据的计算能力，只能通过外围电路的配合，采用反向比例运算电路结合精密电阻的数值完成信号的整合和转换。

若直流信号输入后电路会切换到S_DC+或者S_DC-电路的测量中，若交流信号输入后，在MCU的处理下回切换到S_AC进行处理。信号的倍数关系在CD4501（单8通道数字控制模拟电子开关）的选择下进行级数配给。

MCU对信号的选择控制是通过MCU对CD4502（双4选1的多路模拟选择开关）控制来完成信号选择，并对信号的最终处理转换提供了输出接口。

（三）数据缓存模块

信号采集时间和处理时间不一致，因此采用了LF398数据锁存缓冲器，作为中间信号的锁存和缓冲。LF398具有采样和保持功能，是一种模拟信号存储器，在逻辑指令控制下，对输入的模拟量进行采样和寄存。三路整合好的信号S_DC-、S_DC+和AC_DC信号输入到LF398中后，锁存在内部，电压形式没有改变，电容是其保持电压的关键部件。三路输出信号SIGNALx，经过部分杂波和干扰处理，直接为后续AD转换电路提供标准信号。数据缓存电路如图5所示。

（四）模数转换模块

由于MCU处理的是数字信号，而前面处理的信号都是模拟信号，因此设计了模数转换电路，将模拟信号处理成数字信号，供MCU分析使用。模数转换器采用了较为先进的ADC0809（带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件），并行输出，提供8位的高分辨率，为保证信号的准确性提供了较为可靠的保证。但该芯片没有内部晶振，需要外部提供脉冲信号，74LS74是常用的1/12信号脉冲芯片。将MCU的ALE脉冲信号引入到芯片内，通过分频完成CLK脉冲信号输出，供给ADC0809作为时间基准使用信号转换。模数转换电路图6所示。

（五）MCU控制模块

控制器MCU部分采用性价比较高的AT89C51（低功耗，高性能 CMOS8位单片机，片内含4k字节的可系统编程的Flash只读程序存储器）作为核心处理单元，晶振选用11.0592MHz，采用上电复位和手动复位两种方式，通过开发C语言程序，控制各电路完成多路电压测量工作。单片机控制电路如图7所示。

（六）显示输出模块

液晶显示模块采用12864LCD液晶显示屏，它是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有國标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，且LCD 控制器/驱动器芯片已绑定到LCD 晶片上；低电压低功耗，适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备中。液晶显示模块在单片机的控制下，将被测电子组合的电压信号以数字形式在液晶屏上显示出来。显示输出电路如图8所示。

三、软件设计

系统以KEIL软件为开发平台，通过C语言编写单片机应用程序。软件设计主要包括四个方面：一是初始化程序；二是继电器和运算放大器电阻配置程序；三是信号处理程序；四是显示输出程序。程序采用模块化的结构，这样程序结构清楚，易编程和易读性好，也便于调试和修改。程序由主程序和若干子程序组成，主程序的功能是系统初始化，管理和调用各个子程序。主程序流程图如图9所示。

四、结论

本系统具有测试精确、结构简单、携带方便等优点，经过长期运行测试，性能稳定可靠，已开发成产品，应用于某型地空导弹电子设备静态参数测试，大大缩短了测试时间，提高了测试精度，具有一定的军事应用价值。

参考文献：

[1] 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003

[2] 谭浩强.C程序设计（第四版）.北京：清华大学出版社，2010

[3] 郑锋等.51单片机典型应用开发范例大全.北京：中国铁道出版社，2011

[4] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2011