某設備監控系統的設計

李四明 林高源

摘要：介紹某設備監控系統的功能原理，并對監控系統的軟硬件設計和設計思路作了詳細的闡述。

關鍵詞：監控電路;參數處理

1 引言

某設備采用大功率真空器件行波管，監控系統的可靠設計對設備的可靠性至關重要。本監控系統從提高可靠性的角度進行設計，主要是硬件設計、軟件設計、顯示設計等。本監控系統的主要功能是完成本/遙控狀態下對設備開機和關機的控制、對設備的故障進行監測并鎖定和處理、上報設備當前狀態信息和故障信息。

2 工作原理

監控系統由電源組件、監控電路、參數處理、顯示單元等組成。

電源組件為監控電路和參數處理提供電源。

監控電路完成對本地按鍵的采集，響應“預熱”、“高壓”、“關高壓”、“關機”、“故障清除”按鍵命令;完成遙控開/關機命令包括串口命令和脈沖命令及在線/離線監控電路切換命令的采集、響應，并把故障和狀態進行串口上報;監控電路實行A、B路雙冗余功能，提高了系統的可靠性，監控電路A和B的功能完全一致，可以互換，備份的監控輸出為高阻態，通過設置電路里26ls31的控制端G和 來控制監控的輸出，當G為低電平并且 為高電平時，輸出為高阻態;完成與水冷系統的串口通訊，檢測水冷系統內的故障;產生設備的GATE觸發信號，供設備產生調制脈沖。

參數處理完成對行波管陰極電流和收集極電流參數的處理并進行AD轉換，對體電流故障進行保護;對功率值進行AD轉換處理，對功率低故障進行保護;對陰極高壓進行AD轉換處理;對燈絲電流進行AD轉換處理，對燈絲過流故障和燈絲欠流故障進行保護;對電源組件的故障進行保護;對高壓過壓、高壓欠壓、高壓過流進行故障保護;所有故障通過串口上報監控電路;所有故障和狀態的并行數據送液晶顯示;將GATE觸發轉換成TTL信號給設備內的調制器;根據預熱和高壓命令來控制燈絲、水冷及計時器工作。

顯示單元完成主要參數在液晶屏上的顯示。用戶可以通過參數了解設備的工作狀態，包括陰極高壓、陰極電流、收集極電流、發射功率、燈絲電流及行波管工作計時器等。

3主要硬件設計

3.1 監控電路的硬件設計

監控電路擔負著設備正常工作時狀態的指示、狀態監測以及發生故障時保護設備的功能，其可靠性、準確性至關重要。監控電路電路框圖如圖1所示。

按鍵：用于本控操作，通過cc14490芯片接收 “預熱”、“高壓”、“關高壓”、“關機”、“故障清除”、“切換”、“內觸發/外觸發”按鍵。本控時，如果在線的監控電路按下“切換”鍵，在線監控電路把“在線切換開關同步信號出”脈沖信號傳到另一個監控電路作為“在線切換開關同步信號入”信號，原離線監控電路變為在線，原在線監控電路輸出高阻變成離線狀態;整個離線/在線切換過程僅需一個時鐘周期，可實現無縫切換;遙控時，當信號處理發來主路在線命令時，如果此時主路在線，則不響應命令;如果此時備路在線，則備路把“在線切換開關同步信號出”傳到主路監控電路作為“在線切換開關同步信號入”信號，主路監控電路收到此信號后變為在線狀態，備路監控電路變為離線狀態; 整個離線/在線切換過程僅需一個時鐘周期，可實現無縫切換;遙控時，當信號處理發來備路在線命令時，如果此時備路在線，則不響應命令;如果此時主路在線，則主路把“在線切換開關同步信號出”傳到備路監控電路作為“在線切換開關同步信號入”信號，備路監控電路收到此信號后變為在線狀態，主路監控電路變為離線狀態; 整個離線/在線切換過程僅需一個時鐘周期，可實現無縫切換。內觸發信號由監控電路生成，外觸發信號由設備生成。

遙控復位/預熱命令：觸點信號，用74LV04進行接收，觸點閉合時可復位或預熱。

與信號處理的串口：通過26ls32和電壓轉換芯片74LV164245接收信號處理的串口命令，有“預熱”、“高壓”、“關高壓”、“關機”、“故障清除”、“復位”命令，并通過26ls31上報設備當前的狀態和故障信息。

設備內的故障：通過26ls32及隔離運放芯片再經過74LV04進行接收采集設備內的故障，包括電源組件、鈦泵電源、體電流等故障，這些故障點的設立可有效的保護各個整件，尤其是保障設備里行波管的正常運行，并把故障定位在可更換單元。所有的故障可通過單片機的中斷口進入程序，以便能在最短的時間內作出響應，根據故障及時自動報警或斷高壓報警。

水冷系統故障：水冷系統用于冷卻設備內的行波管，故障包括水泵過載、流量低、供液溫度高、供液壓力高、海水壓力低、水箱缺水、水箱水位低和水電導率高及海水流量低，通過422串口進行故障通訊。

預熱命令和高壓命令輸出：通過26LS31芯片進行422差分信號輸出，可控制燈絲的預熱及設備的高壓開啟。

3.2 參數處理的硬件設計

參數處理完成設備所有參數的整理，并對部分故障進行監測，將故障信息和狀態信息進行液晶顯示，產生最終的預熱命令和高壓命令。

通過26LS32芯片接收監控過來的RS422差分串口等信號;通過隔離運放接收電流、功率等參數信息，這些參數信息通過AD7890芯片進行AD轉換。AD7890為8路模擬量輸入，串行輸出的AD轉換芯片，輸入范圍廣，可到10V，滿足設備數據輸入的要求;通過74LV04接收逆變控制等故障信息;通過26LS32芯片接收監控電路過來的預熱、高壓422差分命令并通過繼電器轉換成直流24V輸出;通過電壓轉換芯片74LV164245輸出液晶顯示信號。

3.3 顯示單元的硬件設計

顯示單元主要器件是液晶屏，液晶顯示屏主要顯示設備的陰極高壓、陰極電流、收集極電流、發射功率、燈絲電流等測量值及設備工作狀態以及具體故障。液晶屏型號為320240L-A3，可顯示漢字20行，每行15字。

4 軟件設計

監控系統軟件主要完成設備的開關機控制、故障檢測、故障保護、狀態上報、狀態液晶顯示等功能。開發軟件采用Keil uVision4、ISE14.6，采用C語言和Verilog語言編寫。

4.1監控電路軟件設計

a.主程序：監控電路軟件是軟件的核心部分，完成如下功能：

1）對設備的開機和關機順序進行程序化控制;

2）對設備的工作狀態實行實時監視，對故障進行分類、判別鎖定和執行處理;

3）上報設備當前狀態信息;

4）接收并執行設備對監控系統的遙控命令。

我們規定設備的工作狀態有四種，當設備剛通電時為低壓狀態，預熱后為預熱狀態，預熱完規定的時間后為待機狀態，開高壓后為高壓狀態。設定主程序循環1圈所需的時間為0.5s，這樣通過計數可對預熱時間進行控制。

b.水冷串口通訊程序：水冷系統與監控采用RS-422半雙工串口通信。監控軟件在FPGA里定時（1s）接收水冷信息。如果監控軟件連續3次接收到水冷信息有故障，則認為水冷有真故障。

c.與設備終端的串口通訊程序：采用RS-422半雙工串口通信。監控軟件在單片機的串口中斷里接收設備終端送來的開關機命令，判斷命令內容并執行相應的操作。

4.2 參數處理軟件設計

參數處理軟件完成如下軟件設計：

a.在單片機程序里對陰極電流、收集極電流、燈絲電流、發射功率、陰極高壓的0V～10V電壓進行AD轉換，并對AD轉換的數據進行濾波處理;

b.根據串口報文對設備的故障和狀態信息進行液晶顯示。

5結束語

綜合以上的硬件和軟件的設計，以及投產后調試運行的情況來看，該監控系統可靠性高、抗干擾性強，控制簡單，合理，工作穩定可靠。

參考文獻

[1]張培仁，孫力. ?基于C語言C8051F系列微控制器原理與應用 .清華大學出版社，2007

[2]蔡述庭，陳平，李嘉輝. ?FPGA系統設計.機械工業出版社，2019