军用车载电源异常电压监测模块的研制

刘长明，沈小林，王　凡

（中北大学，太原　030051）

军用车载电源异常电压监测模块的研制

刘长明，沈小林，王凡

（中北大学，太原030051）

摘要：对由蓄电池供电的某军用特种车辆供电系统的异常电源信号进行监测模块的设计，为系统控制终端进行分析及故障排除提供参考数据。监测模块采用C8051F040单片机为控制核心，通过对“系统DC26V”和“系统DC5V”电源进行监测，记录超出正常范围的异常电压值，并可以通过RS-485通信方式将异常数据上传到控制终端。该模块具有体积小，采集速度快，记录时间标记和运行稳定的特点。通过实际应用证明可以准确地记录各种在运行过程中电源异常的情况。

关键词：C8051F040，监测模块，隔离，RS-485

0　引言

军用特种车辆的电气控制部分大多都是由蓄电池供电，系统中各执行、驱动、控制设备较多，电气连接比较复杂。在系统正常运行的时候各运行设备之间的开启、关闭和执行各种动作，经常会引起系统电源的波动。尤其是在电气控制部分的联合调试阶段解决一些不容易复现的故障的时候，主要问题出现在电气设备的哪一方经常很难以判定。如果是设备本身硬件软件的漏洞可以改进设计方法解决，这种情况也很有可能是因为对电源波动所引起，所以要首先排除电源的干扰才能判断是否为设备本身的问题。例如在系统运行的过程中大型设备的动作会给电源带来异常的尖峰脉冲，这种脉冲有正有负，一般来说这些脉冲持续时间较短，大部分都可以通过电源的去耦和滤波电路将危险消除［1］。但是如果出现较大的脉冲干扰就有可能影响到系统中的某个设备的正常运行，导致通信错误或动作故障［2］。本文介绍的车载电源异常监测模块的设计就是为了解决这一问题，以帮助设计调试工程师对系统的故障排除。

异常电压监测模块安装在车辆中关键设备中，如炮长显示器中对系统DC26V和DC5V电压进行采集。模块与设备通过串口RS232上传异常电压值，并且对监测电源进行隔离，虽然对系统中电压的采集仅是分析变化趋势，为了保证数据的分析可靠性，监测电压的采样时间设置为1 ms，经过实验证明车载电源异常电压监测模块可以对系统电压的波动进行捕捉存储。

1　系统设计结构

模块功能结构如图1所示：监测模块分为电源部分，控制器部分，A/D数据采集部分，实时时钟部分，存储器部分，上位机通信部分，下面分别介绍各部分的设计。

图1　异常监测模块结构图

（1）整个控制系统是由DC26V蓄电池供电，本设计的监测模块是对DC26V和DC5V同时监测，系统正常工作电压范围是在DC21V-DC30V之间。系统电源及监测模块电源组成如图1所示，“系统DC26V”是对整个车载系统中各执行设备供电，“系统DC5V”是通过DC-DC电平转换芯片将“系统DC26V”变换后对整个车载系统微控制器电路供电，所以“系统DC5V”要比“系统DC26V”要相对稳定，为了保证监测无误，模块对DC26V及DC5V同时监测。而监测模块没有独立的电源供电，所以仍需要用到“系统DC26V”供电，如果不做任何处理直接连接，系统的电源受到干扰同样也会影响到监测模块的正常运行，所以监测功能也就不能得以实现。为了不受到“系统DC26V”的影响，所在监测模块的电源接入端增加一个具有宽电压输入隔离功能的DCDC电源模块VRB2405D，该电源模块是（2：1）宽电压输入，隔离电压DC1500V，实际测试时当电压降低到DC9V时监测模块仍能正常工作。隔离目的是“系统DC26V”与监测模块电气隔离减少系统电源不稳定对监测模块的影响；宽电压输入目的是即使系统电源有较大的波动也不会影响VRB2405D电源模块的正常稳定输出DC5V电压，所以可见该电源模块可以满足应用要求。监测模块上的电源是经过电源模块输出的DC5V再经过LM1117输出DC3.3V给监测模块控制电路供电。C8051F040单片机集成了AD功能，但是因为采集信号与监测模块电气隔离，所以不能采用单片机的AD通道。如果要实现采集功能监测模块中就需要设计隔离的AD采集电路，AD采集是由“系统DC5V”供电，两路AD分别采集“系统DC26V”和“系统DC5V”，在数字输出端经过双通道双向高速数字光耦ACSL-6210连接到单片机上［3］。

图2　系统电源结构

（2）控制器选择的是Silicon Lab的C8051F040单片机为控制核心，这是一款增强型单片机。有丰富的片上外围，芯片上集成了64个IO端口，外部存储器访问接口，12位ADC，12位的DAC，比较器，IIC，SPI，UART，CAN等通信总线，5个16位定时器，20个中断源等。在本设计中主要用到两路A/D转换接口分别采集DC26V和DC5V的电压值，当采集的电压值超出正常范围将其存入存储器中；外部存储器访问接口连接片外存储器芯片，用来将异常数据存储到存储器中或者从存储器读出异常数据记录；IIC通信接口用来连接实时时钟模块，以得到电源发生异常的时间同异常数据一起存入存储器中；UART通信接口用来与上位机进行数据通信，上位机可以通过发送查询命令来检索在存储器中记录的异常数据［4］。

（3）监测模块AD采集电路选择的是AD7991 YRJZ-0500RL7芯片，该芯片具有I2C兼容接口的12bit、低功耗、逐次逼近型ADC。器件均采用单电源工作，电源电压为2.7 V～5.5 V，并且转换时间为1 μs。VREF引脚外接2.5 V的稳压管提供DC2.5V的参考电压；对于采集的“系统DC26V”和“系统DC5V”的电压信号采用电阻分压的方式将信号电压降到参考电压范围之内；转换的数字输出经过双向光耦连接到单片机的IIC接口上。

由于可以影响到系统电源正常运行的脉冲信号时间较短一般为ms级，但又不是一个极短的瞬间脉冲，多次模拟实验后将单片机对于信号采样周期定为200 ns。这样可以保证采集到一定数据量，方便电源异常的分析。由于系统规定正常工作电压范围是在DC21V-DC30V之间，所以在采集记录的过程中模块只记录小于DC21V或者大于DC30V超出正常工作范围的异常脉冲，对于在范围之内的波动不记录。但是实际应用过程中蓄电池的电量会随着使用的时间下降，输出的电压也会降低。当其电压降到DC21V以下在DC18V以上系统还是可以正常工作的，由于电压低于规定正常范围，如果要记录的话数据量会很大也没有参考分析价值，这种情况下的采集结果就不能被视为异常数据。所以在软件设计时要考虑模块能否识别是异常低压脉冲还是低压正常运行。具体方法是可以从图3中所示，同样在时间T内如果是负脉冲结束后会有一个回到正常电压范围过程；而低压运行在一定数据量内将一直保持一个值（由于采样周期较短）而不能回到正常电压范围，所以对于这种类型记录模块将自动删除。

图3　异常负脉冲和低压运行示意图

（4）在车载系统调试过程中，即使出现故障也要等设定动作执行完毕才能进行分析，调试人员只能记录发生故障的大致时间，所以监测模块中就要具有时间定位的功能，可以根据异常记录中的时间标记来确定故障原因是否为电源波动造成。实时时钟模块选择的是SD2405ALPI时钟芯片，该芯片是一种内置晶振、充电电池、具有标准IIC接口的实时时钟芯片可保证时钟精度为±5 ppm（在25℃± 1℃下），即年误差小于2.5 min。读取的时钟数据主要是在记录异常数据的时候标注具体发生异常的时间，在存储器中时间数据存放在异常数据之前。

（5）存储器选择的是Ramtron国际公司的1MB铁电存储器FM20L08，该存储器是一款并行访问方式的存储器，是一款高速存储器。存储器内部分为8 块128 KB的SRAM，其读写操作与标准SRAM相同。访问进入时间为60 ns。高速的页模式操作总线速度最高可达到33 MHz，4字节脉冲。写操作无延时，也没有最大写操作缓冲大小限制。FM20L08工业型温度（-40℃到+85℃）工业型读写周期为（cycle time）为350 ns。

高速存储器FM20L08与C8051F040单片机的外部数据存储器接口连接，采用复用方式访问存储器。由于系统采样周期较快所以选择高速的存储器尽量减少存储及读出的时间消耗。在采集异常数据的时候，由于每条异常数据的个数不是固定的数值，所以在保存数据之前要设计合理的存储格式及报文格式，如图4所示，开始为一个字节的报头，接着7个字节的时间数据（BCD码格式），后面是采集到的多个字节的异常数据，最后是一个字节的报尾。存储器内部分为8块128KB的SRAM，前4块SRAM记录的是“系统DC26V”的异常数据，后4块SRAM记录的是“系统DC5V”的异常数据。为了方便记录存储位置即数据指针，在第1块和第4块128KB的SRAM的第一个字节记录当前数据存储的SRAM块数，第二第三个字节记录当前SRAM块内存储位置的数据指针，从第4个字节开始存放异常数据。当数据上传时，单片机要先读取数据指针，找到最新记录数据位置，然后根据报头和报尾的标志找到要查询的记录上传给上位机。

图4　异常数据存储格式及报文格式

（6）考虑到差分方式RS-485通信要比RS-232稳定，所以为了保证数据传输的准确率模块和上位机采用RS-485方式连接。在单片机的UART串行通信端口上连接了一个MAX485芯片连接到上位机的通信端口上，这样上位机可以通过软件来访问监测模块，读取记录的异常数据，如下页图5中记录的是一次系统掉电的数据。可见数据量可以满足对系统电源波动的分析。

2　结论

图5　上位机数据通信软件界面

电源异常监测模块将监测的电源信号与该模块电气上相互隔离，抑制了电源波动导致的监测模块不稳定的因素；高速存储器存储功能有助于提高模块的采样速率，优化了模块协调工作的功能；用实时时钟模块对异常数据定位方便调试及工作人员排除故障类型。电源异常监测模块长7.5 cm宽5 cm，高3 cm，重35 g，体积小重量轻适用监测各种移动车载电源。

综上设计分析和实际现场试验可知，电源异常监测模块能够可靠的记录各种电源的异常脉冲，为车载电气控制系统调试及故障排除提供了准确的数据参考，协助设计工程师简化了繁琐的故障的分析工作。

参考文献：

［1］于丽娜，秦丽.C8051F单片机信号采集系统［J］.仪表技术与传感器，2011（7）：53-55.

［2］姚鎏，王东军，周世海.某型自动炮供弹机构故障分析［J］.四川兵工学报，2011，32（12）：57-58.

［3］杨永标，王双虎.一种分布式电源监控系统设计方案［J］.电力自动化设备，2011，31（9）：125-128.

［4］孙伟超，尹德强.基于C8051F040的环境数据采集系统设计［J］.电子测量技术，2011,34（10）：91-95.

中图分类号：TP216

文献标识码：A

文章编号：1002-0640（2016）04-0177-04

收稿日期：2015-03-31修回日期：2015-05-07

作者简介：刘长明（1981-），男，河北张家口人，讲师。研究方向：控制理论与控制工程。

Design of Abnormal Voltage Testing Module about Military Vehicle Power

LIU Chang-ming，SHEN Xiao-lin，WANG Fan
（North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract：This paper is researching about the design of abnormal monitoring module of a military special vehicle power supply system，which is supplied power by accumulator.It provides reference data for system control terminals when analyzing and removing failures.Monitoring module uses the microcontroller C8051F040 as the control core.It records abnormal voltage beyond the normal range when monitoring the"system DC26V"and"system DC5V"power supply.And it sends abnormal data to system control terminals by RS-485 communication mode.The module is small volume，fast acquisition speed，recording time marks and stable operation.Through the actual application it proved that the monitoring module can precisely record various power abnormalities during operation.

Key words：C8051F040，monitoring module，isolation，RS-485