摘要：结合实践经验，本文设计出一种低功能损耗的核仪器多路电源检测方案，并成功研制一套多功能可视化核仪器电源监测仪器样机，并且还完成中文核心学术论文1篇，申请发明专利1项。
关键词：核仪器；低功耗；多路电源监测
该方案拟研制一款能够服务于核仪器开发的多功能可视化电源监测系统，包括供电电路、模数转换器ADC、数模转换器DAC、微型处理器MCU、电容触摸屏、按键电路、存储器和蜂鸣器等。其能够实时动态监测高压电源和多路低压电源，并通过高清触摸屏实时显示和调节电源监测信息，形成仪器电源监测记录。经测试本文设计的多功能可视化电源监测系统具有结构简单、噪声低、抗干扰能力强、电压输出稳定、降低研发成本等优点。
1.总体设计分析
核仪器多路监测系统主要由供电电路、模数转换器ADC、数模转换器DAC、微型处理器MCU、电容触摸屏、按键电路、存储器和蜂鸣器等部分组成。该系统常采用低功耗单片机为主要芯片，而对于核仪器电源使用±5V，±12V以及400V左右的高压进行实时监控。每一路的电压信号按照一定的比例调节后输送到单片机上的12ADC采样；显示部分采用6位8字的LCD，由单片机的I/O控制输出管脚和输通管脚；上位机可以利用USB接口监测仪器电源，并根据每一个电路的电压绘制监测信息；一旦电压出现迅速下降或者是超过规定的数值时，监测系统就会发生警报。
2.系统硬件设计
2.1测量调理电路
一般情况下，核仪器的多路电源主要是由低电压+5V、±12V，高电压400~1000V等[1]。该监测系统要求高电压信号输出信号和低电压输出信号之间的差距不能超过0.1%，由此，可以采用高精准度比例对各路电压进行调节，确保电压的监测结果具有可靠性，并将其调节到ADC允许的范围内。在实际的电路监测过程中，对于多路电源的高压信号以及其他的正电压信号，必须要选用精度为0.1%的高精准度电阻，从而形成分压电路，其分压比例和电阻的精准度会给测量的精准度带来不小的影响。
2.2监测控制单元设计
监测控制单元一共有四部分组成，分别是低功耗设计、多通道电源监测、驱动LCD以及USB接口通信和报警装置。启动系统即时进行监测，按照电压的监测状态设置不间断监测时常和低耗能时常，将监测的结果与预设的数值进行比较，若在正常范围系统就进入低功耗模式，超出范围则会报警，在一段时间的低功耗工作后，系统将再次进入不间断监测模式，以此循环过程工作。对于低功耗设计，其包括五种模式，断开电源前，系统会处于低功耗模式，中断发生时CPU系统会被唤醒，进入中断服务程序，而低功耗模式会被埋在堆栈中存储，保证系统在中断程序结束后能够恢复原有的状态[2]。
多通道电源监测。多通道监测电源常采用高压（400~1000V）、±12V以及5V，通过测量调理电路调整后，由低功耗的单片上12bit ADC对每一电路进行抽样监测，其中ADC的参考电压尽量选择2.5V，检测精度为0.01V。ADC在顺序通道多次转换模式下运行，当触发信号来临时，触发抽样定时器就会产生抽样转换信号，直抵上升沿时开始ADC的第一次抽样和转换，在此模式下，抽样和转换一旦被触碰，后期的多次活动将会自主完成，当ADC 12bit为控制结束后，转换的数据结果会储存在16位缓存器中，监测电压若是超出其规定的范围，则会产生报警提示。
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USB接口通信设计。在对于接口通信的设计中，采用的是FTDI公司的FT245BM完成对监测单元和分析仪器主机之间的连接通信。监测单元可以借助分析仪器主机，进而完成对其监测的开始、停止以及监测信息反馈等功能。FT245BM是由4根控制线和8根数据线进行结合实现与单片机的连接通信。
3.嵌入式程序设计
在程序设计中，ACLK配置控制定时器的始终信号输出，SMCLK配置控制ADC/LCD/USB等时钟的信号输出，在初期阶段严令禁止使用外设启动[3]。系统在此运行过程中，主要分为监测模式和LPM3低功耗模式，其中在监测模式下，对各回路的电压进行A/D抽样、阈值对比、LCD显示和USB端口通信等处理，如果检测结果异常，则报警器就会报警，此时的监测时间记录为T1，T1时间之后进入LPM3模式，限于各种外设的时钟配置归SMCLK所有，在低功耗模式下都会自动关闭，除了定时器正常工作，这一过程有效降低了系统的功耗。在进入到低功耗模式之前，系统度各回路的电压进行抽样监测，运算出变化率，而变化率的大小会直接影响低功耗模式下时间的运行长短，有效防止遗漏不可靠电压的监测工作，从而确保电源监测系统的真实性和严谨性[4]。
4.测试结果分析
为了更好的检验系统的可靠性和精准性，采用4位半单机片与上位机之间的数据通信模式，对监测的各种电压数值分类进行编码，同时可以发送好几种数据，上位机将收到的各种电压数据进行整合，以折线图的形式展示电压的起伏状况，将其直观的呈现在电脑桌面上，且能够实现即时储存和查阅历史数据的功能，此外还可以进行阈值对比报警。
借助万用表对多路电源实施测试，测试对象分别有高压电源400~1000V，低压电源+5V、+12V和-12V，通过实验数据，可以得出：高压电源采用4位半的万用表和段氏LCD两者之间的数据最大误差仅为0.05%；对于低压电源而言，4位半的万用表和段氏LCD两者之间的数据最大误差为0.72%，由此可见，使用LCD显示，能够在很大程度上呈现出当前核仪器的电源状况。
对于电源转换芯片为单片机以及段氏LCD提供3.3V的电源，LPM3模式下功耗和监测模式下的功耗一起构成了系统的总功耗，其中，在LPM3模式下，系统的功耗大约在1mA，而在监测模式下，系统的功耗约为3mA.
结语：
本文设计的核仪器多路电源监测系统，可以有效对核仪器的多路电源进行监测控制，借助段氏LCD和上位机即时呈现出多路监测的电源数据信息，从而形成比较完整的电源运行监测信息记录表。对传统仪器中其电池电量的显示、高压显示等比较简单的监测内容和方式进行了进一步的改进，从而逐渐提升核仪器的监测效果，此过程对其具有重要价值。根据实验测试可知，本文设计的多路电源监测系统的可靠性是有一定保障的，可以给核仪器操作的人员提供直观、精确的数据，以供他们对系统故障的参考，同时还能及时让操作人员发现电源的故障部位，及时有效解决问题，从而提高系统工作效率，进一步保证仪器电源在检测过程中的可靠性。
参考文献
[1]李运文.全国核仪器仪表标准化技术委员会组织参与国际标准化工作再创佳绩[J].核标准计量与质量,2017(02):55-56.
[2]李建.我国发布通用核仪器领域首个国际标准[J].中国设备工程,2017(11):4.
[3]陈园园,王磊,蔡婷,成毅.核仪器多路电源监测系统设计[J].核电子学与探测技术,2015,35(02):193-197.
[4]赖雪锦. 基于web核仪器远程监测系统的研究[D].成都理工大学,2014.
论文作者:龙宇沛 杜相朋 郑雪丽
论文发表刊物:《信息技术时代》2018年10期
论文发表时间:2019/5/22
标签：电源论文; 电压论文; 仪器论文; 多路论文; 系统论文; 低功耗论文; 监测系统论文; 《信息技术时代》2018年10期论文;