基于FPGA及ARM的老化试验智能测控装置

刘洪平LIU Hong-ping；胡云梅HU Yun-mei；奎晓燕KUI Xiao-yan；保丽江BAO Li-jiang

（云南昆船电子设备有限公司，昆明 650032）

0 引言

随着科学技术的发展，人们对智能化的程度要求也越来越高，智能控制系统集成化、数字化、信息化[1]，如自动驾驶、远程控制、人工智能等技术[2]，智能化的出现让人们更切身地体会到了科学技术给日常生活所带来的便捷[3]。

目前的老化试验，存在局限性，一机专用、单台设备能够监测的组件及单板数量有限、间歇式测量、手动操作及记录、操作人员劳动强度大等问题。这种老化方式生产效率低、人力成本高、硬件成本高、差错率高。本次研究的基于FPGA及ARM的老化试验智能测控装置，可自动采集电流、电压、交流信号、相位等参数，满足常规老化产品采集的功能，该装置老化过程中自动记录老化数据；数据异常有声光报警提示功能；老化过程有语音播报老化工作状态；老化结束自动断电功能，避免人员疏忽忘断电，让产品过老化。

1 系统结构

系统主要由3大部分组成，如图1所示：老化试验智能测控装置上位监测系统、老化试验智能测控装置控制板卡、老化试验智能测控装置采集板卡等组成。老化试验智能测控装置辅助部分主要包括继电器、声光报警器、语音播报模块、电扇等。虚线框内的设备为采集对象。图2为老化试验智能测控装置实物图。该装置中的采集板卡，担负着对老化对象进行数据采集；控制板卡是大脑，对采集的数据进行决策，并根据预设定的阀值，进行判断，执行相关任务；上位监测系统，担负控制整个系统的工作时序及显示数据。装置一旦工作无需人工干预，按照预设定的时序进行工作休息，自动记录数据。

图1 老化试验智能测控装置系统组成

图2 老化试验智能测控装置实物图

系统上电，老化试验智能测控装置工作，老化试验控制板卡获取并判断采集板卡采集到的电流、电压及信号的数据，一旦有不满足技术条件的参数，会记录该参数，并记录该参数发生的时间，发出声光报警，提示老化人员，提g发现老化产品故障，当老化产品工作异常之后，老化试验控制板卡控制继电器将设备电源断开，起到保护老化产品的目的，产品老化结束后，控制板卡通过控制固态继电器，将产品的电源断开，以防老化人员疏忽，忘记关断老化产品电源，老化试验过程中，有语音播报提示。

2 老化试验智能测控装置硬件设计

采集板卡采用嵌入式ARM（STM32F4）进行设计，通过扩展电流取样、AD采集、比较器、外部通讯等功能，实现电压、电流、频率、相位的采集和数据上传，可以将采集板卡划分为：电流高边检测单元、AD采集单元、模拟信号调理单元、通讯单元等组成。原理框图如图3所示，采集板卡实物图如图8所示。

图3 采集板卡原理框图

电流高边检测单元主要功能是实现电流的检测，电流高边检测单元选用专用的电流高边检测MAX4080TASA进行电流检测，主要原理是电流信号流过电流高边检测IC配置的外部取样电阻，在取样电阻上形成了电压降，该电压降经过电流高边检测IC的放大处理后输出电压信号，送入AD7606采集单元进行电压采集，原理图如图4所示。

图4 电流检测原理图

AD采集单元主要选用8通道16-bit模拟/数字转换模块AD7606实现电压采集；MCU采用串行SPI的方式进行AD数据读取，原理图如图5所示。AD特性：①8通道同步采样输入；②16-bit、200KSPS ADC（所有通道）；③灵活的并行/串行接口（SPI/QSPI）。

图5 AD检测原理图

信号调理单元主要功能是实现将高压信号转换为AD采集单元采集量程范围内的电压值，交流高电压衰减到AD采集单元10V信号量程，最终电压信号通过数据采集板卡完成采集，交流信号检测原理图如图6所示。

图6 交流信号检测原理图

比较器电路采用TI公司的TLV350X轨到轨高速比较器实现，该器件仅有纳秒级的延时，可以将通道的模拟信号完整地转换成数字信号，送入MCU进行频率和相位计算。相位采集主要利用整形之后的数字方波信号计算其两个通道之间的时间差，根据时间差来计算相位差，主要流程图如图7所示。

图7 交流信号相位差计算框图

控制板卡主要由电源、微控制器、通讯协议模块，继电器、电连接器（RC-6032-C064FS-3C1）等组成，如图9所示。

图9 控制板卡系统框图

控制板卡的微控制器采用FPGA（EP4CE6E22C8N），它的主要作用是接收上位监测软件的控制指令，根据接收到的控制指令去控制（RS485、TCP/UDP）通讯协议模块与被试产品及采集板卡进行数据交互，控制板卡与采集板卡通讯采用RS485通讯、与被试产品采用UDP通讯、与上位监测系统采用TCP通讯。

当数据异常时，控制板卡控制1路继电器打开声光报警器进行报警，当被试产品电流电压异常时控制2路固态继电器断开被试产品的电源，起到保护被试产品的目的，控制板卡如图10所示。

3 系统调试

系统工作时采集的数据与标准示波器、电压、电流表采集数据的对比，电压、电流、1路峰值电压、2路峰值电压、2路信号相位差各采集10组数据求10组数据的平均值。从测量数据上对比，如图11所示，误差满足标准仪器仪表设计允许误差范围，满足使用要求。

图11 标准仪器测量与老化试验智能测控装置测量数据对比

4 结论

基于FPGA及ARM的老化试验智能测控装置经测试，试验证明该装置软硬件功能可靠，测量准确、响应及时，该装置可同时老化两套组件，它具有如下优点：①声光报警功能；②语音播报功能；③产品异常或是到时自动断电功能；④实时数据采集、监测、自动记录数据生成报表等功能。老化试验智能测控装置小型化、集成度高、操作简单、智能化强、通用性强、价格较低、运用领域广，企业可在此平台上扩展运用。智能已成为新一轮产业变革的核心驱动力，对世界经济、社会进步及人类生活具有极其深刻的影响，老化试验智能测控装置后期可运用如：农业温室大棚监测、工业流水线控制、工业机器设备监测等领域。