开关电源在模拟量采集系统中的应用(完整版)实用资料

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开关电源在模拟量采集系统中的应用开关电源在模拟量采集系统中的应用（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）2010年11月3日11:14

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尽管在模拟量采集系统中，对ADC芯片等的供电一般建议最好不用开关电源，以避免其固有的纹波大、噪声等问题，但开关电源仍以其高效率、低价格等优点得到广泛应用，尤其是在工业控制等领域。本文介绍开关电源在模拟量采集系统中的应用，并对可能出现的一些问题进行分析。

开关电源对ADC芯片工作的影响及解决方法

电源对ADC芯片的影响，除了体现在电源抑制比（PSRR）参数上，还表现在，当ADC芯片对输入的模拟信号进行采样、保持、转换时，电源电压、参考地的变化，都会对ADC芯片内部采样电路、比较器等的工作产生影响，使得采集结果出现晃动。因此，一般ADC芯片特别是高精度ADC芯片，都建议最好用质量好的线性电源供电。如果采用开关电源，则需要尽力避免它对ADC芯片产生影响。

图1是一个典型的应用，其中模拟采样用的信号调理电路、ADC和现场模拟信号不隔离，ADC芯片和CPU电源相互隔离。CPU采用控制系统内部电源。而ADC的+5V电源是由+24V电源经过+24V到+5V电源变换而来的。图中左侧部分是典型的串联、降压非隔离型DC-DC变换器的原理框图。设计中，可以根据开关管的开关频率、+5V消耗电流、要求的输出纹波最大值，计算出电感L1、电容C1的合适大小。

为了分析出开关电源对ADC芯片的影响，这里假设信号调理电路及ADC芯片正常运行的耗电是25mA/+5V，对于光耦部分，如果采用6N136、TLP521等三极管输出型的光耦，则当CPU不启动ADC工作时，光耦全不导通，耗电小于1mA；当CPU启动ADC工作时，将有数据输出Dout、数据准备好Ready等信号经过光耦，光耦处于导通状态，为了达到比较高的通讯速率，光耦总耗电需要25mA/+5V左右。这样，+5V负载电流将在25～50mA之间来回变动。正常开关电源设计的输出电流应该2倍于最大负载电流，这里设为100mA，下面将要说明负载电流的变化将极大影响+5V，从而影响ADC采样稳定性。图1：开关电源在模拟量采集系统中的典型应用图

开关电源的工作原理是，平时Q1的周期性开关动作，再经过L1、C1，得到所需要的输出；而当输出+5V电压发生上升/下降超过一定限度（如几十毫伏），经过采样、反馈后，开关控制电路控制Q1的开关，使得输出电压向+5V回归。在+5V负载比较恒定的情况下，输出+5V的最大纹波，可以根据采样反馈电路工作原理（比如MC34063是通过比较器和锁存器来控制Q1的开关）、开关频率等计算出来。

但如果是图1中带光耦的情况，开关电源的输出不仅供给相对恒定的负载（如信号调理电路、ADC芯片），而且还要供给光耦等数字部分电路，有可能发生最坏的情况是，当开关管Q1正处于上述稳定工作中的关断时刻，光耦突然被ADC导通，此时L1、C1将要提供50mA的负载电流，而平时稳定工作中L1只提供25mA的电流，剩下电流只能从电容C1中获取，使得C1上的电压即+5V电平下降比较大。这将持续半个开关周期，直到开关管Q1打开。如果开关电源的开关频率是100KHz，而ADC芯片数据Dout的通讯频率也是100KHz左右，将引起输出+5V电压频繁波动，造成更大的输出纹波。在示波器上甚至能看到噪声反馈在+24V输入上。

上面只是理论分析的最坏情况，实际应用中，滤波电容等器件的非理想性、PCB布线等等，将使得电源纹波更大，ADC采样结果不稳定。有的微功率型隔离DC/DC，或者如电荷泵器件，只有开关管的周期性开关动作，而没有上述采样、反馈电路，输出更容易受到负载不稳定的影响，使得ADC采样结果更不稳定。

比较好的解决办法

1.设法降低开关电源的负载变化，因为虽然目前开关电源的工作频率已到几百kHz以上，但开关电源的负载响应时间仍至少要几个μs，低于目前大多ADC采样的速度。比如采用光耦6N137就比6N136好，因为6N137只是静态电流比较大，而它需要的二极管导通电流小，使得电源的负载变化不会很大。或者不把模拟+5V电源接到小功率的开关电源输出上，而接到其它功率比较大的开关电源输出上，避免开关电源输出受到负载变动的影响。同样一个值得注意的问题是，不要使用ADC芯片的Ready、Dout、Din等引脚直接驱动光耦，最好通过光耦驱动电路，使得模拟和数字电源得到很好地相互隔离，避免在光耦开关时，有大的电流越过ADC芯片。2.开关电源后加LDO等输出电压纹波小的器件，再供给信号调理电路、ADC芯片，保证模拟电路电源的稳定。

3.如果在开关电源后加LC滤波，将LC滤波后的电源供给数字部分，此时应该针对不同的负载电流大小，选择相应的L、C数值，必要的时候，要通过一定的计算、仿真及试验来加以确定。电感、电容不能过大，否则难以响应负载（光耦开/关）的变化。建议开关电源输出直接供给数字部分；同时经过LC滤波或者RC滤波，再供给信号调理电路、ADC芯片。在采用LC滤波时，还需要注意LC的谐振频率要远远偏离开关电源工作频率。比如滤波RC电路的电阻R可以取10Ω左右，电容取10μF左右。

4.其它常规的方法也特别重要，如信号调理电路、ADC芯片的电源和地，要同光耦等数字部分的电源和地分开走线，最后单点连接。或者两者采用两个DC/DC电路分别给ADC芯片等模拟电路和光耦等数字电路供电。原因和上文分析一样，也是为了更好的避免数字、模拟之间电源的相互干扰。

开关电源对运算放大器的影响及解决方法

一般模拟量信号进入ADC芯片之前，要利用运算放大器进行信号调理，以提供必要的电平变换、滤波、ADC芯片驱动等等。运算放大器与ADC相接口时，容易受到电源的影响，从而也影响ADC芯片采集的稳定。图2是运算放大器与ADC的典型接口图。图2：运算放大器与ADC的典型接口图

大多ADC芯片内部的模拟输入端都具有一个采样电容Cin，电阻R1对运放输出限流，数倍于采样电容的陶瓷电容C1使得开关SW合上的瞬间，通过C1迅速给采样电容Cin充电。R1、C1的具体数值，与运放的稳定性、建立时间、ADC采样时间、需要的采样精度有关。

这里要指出的是，在上述过程中，运放的电源也会起很大的作用。在运放对电容充电期间，瞬间需要较大的电流，而开关电源的负载响应时间不够，将造成比较大的电源纹波，影响运放的输出。比如采用C1=10Cin=250pF，则当SW从别的通道（假设为-5V）切到AI0通道（假设+5V）时，Cin从-5V切换到C1上的电压+5V，C1迅速给Cin充电，最终电压为（5V×10-5V）/11＝4.09V，运放输出要从5V变到4.09V，R1太小容易带来运放输出稳定性问题，同时也会对运放输出电流带来冲击，影响电源电压。

特别是在采用电荷泵给运放-VCC提供小的负电源时，电荷泵输出电压随负载增大而降低的特性使得效果更加明显。比较发现，运放采用直流线性稳压电源时，12位的ADC采集结果很稳定，结果变动可达1LSB以下；相比之下，采用电荷泵器件时，如果电荷泵输出没有大的滤波，ADC采集结果晃动可达3LSB。如果增大R1为100Ω时，C1=10Cin，不考虑运放输出电阻时，需要运放输出电流的最大值为（5－4.09）V/100Ω＝9.1mA），小于一般运放的最大输出电流。但R1太大，将明显降低ADC所能采集到的信号频率，在ADC对该通道“跟踪”期间，运放无法完成对C1和Cin充电，使得该次采样与运放输入端电压相差较大，会造成谐波失真。

解决办法除了前文描述的以外，同时还可以采用以下方法：

1.运放的正负电源对地除并接一个10～22μF大电容以减少电源纹波外，再并接一个0.1～1μF的小陶瓷电容，以通过0.1～1μF高频去耦电容的作用，避免负载电容的瞬间充电对电源的影响。效果类似于数字芯片电源和地之间加的去耦电容。

2.增大图2中ADC前端电阻R1，减小运放的输出电流，能起到一定的滤波作用。当然R1大的话，将衰减通过运放的信号。

开关电源对参考源的影响及解决方法

有的ADC芯片要外部提供参考源，这时外部参考源的供电，也需要参照前文所述的处理方法，采取在输入端加滤波等措施。同时注意，对连续逼近（SAR）型ADC芯片，如TLC2543芯片，采样、保持后的内部每次电压转换，都需要将采集电压和参考源的1/2、1/4、1/8等组合相比较，以确定相应n位ADC结果的第（n-1）位、第（n-2）位等，参考源的分压是通过电容实现的。这样，对应转换每位均需要将参考源VREF通过开关接到相应分压电容上，对参考源而言，将看到一个变化的容性负载，从而产生了上文所说的问题。如果ADC芯片内部没有参考源缓冲电路，而外部参考源的容性负载能力又不够时，需要在外部参考源输出端，串一个缓冲器，再通过一个RC电路接到ADC芯片的参考源输入端。其它处理方法，同上文所述，如在外部参考源的电源端，并接一个10～22μF大电容和一个0.1～1μF的小陶瓷电容等。

本文小结

本文虽然针对SAR型ADC进行分析、处理，但其应用原理，对各种ADC都有参考价值。仔细分析各个环节的工作原理，采取一定的对策，就能在模拟量采集系统中，使用廉价的开关电源，而又获得极佳的采集性能。广东工业大学硕士学位论文开关电源测试系统的研究与开发姓名：赖应杰申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：骆德汉;程绍玉20210527摘要摘要开关电源应用于各种电子设备中，为设备提供～个稳定可靠的工作保障。作为电源，它具有体积小、重量轻、成本低、效率高等优点。对开关电源进行测试是开关电源出厂前的必经程序。目前企业所使用的大多是需要人监控的测试设备，效率低，不适应大规模大批量的生产要求。对这些设备进行一定的技术改造，使其成为一套自动化的测试控制系统是十分必要的。不带自动控制系统的开关电源老化测试架与具备该系统的价格差别相当大，因此如果能够掌握这类测控系统的技术，并且能够完善功能、降低成本的话将带来可观的经济效益。随着现代电子技术的发展，设计高可靠性、强抗干扰能力、使用方便的开关电源测试系统显得非常必要。本文设计开发的开关电源测试系统由两部分组成，分别为上位机监控中心和下位机电参数检测控制器。上位机监控中心通过ＲＳ－４８５总线与下位机通讯，实时显示开关电源的输出信息及下位机控制器当前的工作状态，并可设置开关电源测试的负载量参数，从而达到智能监控的目的。下位机电参数检测控制器与上位机一样采用单片机作为处理器，利用可编程增益放大器的特点实时采集被测开关电源的电压、电流，与预设的安全参数进行比对，对电源进行实时监控，并且要根据不同的设定值来控制继电器触点输出，从而控制电源的负载量。系统软件由上位机监控中心软件和下位机检测控制器软件组成，用Ｃ语言进行编写。上位机通过ＲＳ－４８５转换器与ＲＳ－４８５通信协议实现上位机连续可靠地与下位机之间的通信，并且由触摸屏及其配套程序为使用者提供了方便的人机界面。下位机用软件自动调节放大器的增益，实现对开关电源输出的精确测量。在测试系统的设计中，最关键的是ＲＳ一４８５总线网络的实现。通信数据的准确可靠是整个系统运作的基础，采用专用接口转换芯片ＭＡＸｌ４８２为网络的硬件与软件设计带来了方便。另外检测电源的电压、电流精度也是十分重要的，关系到测试系统的开发是否具有实用性。调试实验结果表明本文研制的开关电源测试系统硬件方案可行、软件运行可靠。检测控制器性能良好、精度高、抗干扰能力好、使用方便，达到了预期广东工业人学硕士学位论文＿Ｉｉ＿Ｉ＿●ｌ＿＿－目的。关键词：开关电源：测试系统；ＲＳ－４８５ⅡＡｂｓｒｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＳｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓｕｓｅｄｏｎａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓ．Ｉｔｉｓｕｓｅｄｔｏｓｕｐｐｌｙａｓｔｅａｄｙａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｐｏｗｅｒｆｏｒｗｏｒｋｉｎｇ．Ａｓａｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ，ｉｔｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓ：ｓｍａｌｌ－ｚｉｓｅ，ｌｉｇｈｔ，ｃｈｅａｐ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｅｔｃ．Ａｌｏｔｏｆｔｅｓｔｓｍｕｓｔｂｅｆｉｎｉｓｈｅｄｏｎｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｂｅｆｏｒｅｕｓｉｎｇ．Ｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅｗｏｒｋｅｄｗｉｔｈｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ，ｉｓｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｎｏｔｆｉｔｆｏｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｎｌａｒｇｅｓｃａｌｅ．Ｕｐｇｒａｄｉｎｇｔｈｅｄｅｖｉｃｅｔｏａｎａｕｔｏｍａｔｉｃｏｎｅｉｓａｔｒｅｎｄ．Ｔｈｅｒｅｉｓａｗｉｄｅｇａｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｒｉｃｅｓｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒ．Ｔｈｕｓｉｔｂｒｉｎｇｓｂｅｎｅｆｉｔｔｏｄｏｔｈｅｕｐｇｒａｄｅａｔａｌｏｗｃｏｓｔ．Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｏｄｅｍｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｔ’Ｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｄｅｖｅｌｏｐａｈｉｇｈｌｙｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｏｎｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｗｉｔｈｓｔｒｏｎｇａｎｔｉ－ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｏｎｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｃｌｕｄｅｓｔｗｏｐａｒｔｓ：ｔｈｅｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｅｎｔｅｒａｎｄｔｈｅｌｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ＴｈｅｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｅｎｔｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｓｗｉｔｈｔｈｅｌｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｔｈｒｏｕｇｈＲＳ－４８５ｂｕｓ，ａｎｄｔｈｕｓｔｏｇｅｔｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ，ｓｅｔｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｌｏａｄｆｏｒｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｄｉｓｐｌａｙａｌｌｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｏｆｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｉｅｓ．Ｔｈｅｌｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，船ｔｈｅｓａｍｅａｓｔｈｅｕｐｐｅｒ，ａｄｏｐｔｓｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐａＳｉｔｓｐｒｏｃｅｓｓｏｒ．Ｉｔｍｅａｓｕｒｅｓｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｗｉｔｈｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓａｆｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃｈｅｃｋｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｒｅａｌｔｉｍｅ．Ｉｔｉｓｓｅｔｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｒｅｌａｙｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｅｔｔｈｅｌｏａｄｏｆｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｉｓｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｉｎＣ，ｉｎｃｌｕｄｅｓｔｗｏｐａｒｔｓ：ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒｃｅｔｅｒａｎｄｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ＷｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆＲＳ－４８５ｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｎｄＲＳ－４８５ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｗｏｒｋｓ．Ｔｈｅｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｅｎｔｅｒｐｒｏｖｉｄｅｓａｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｆｏｒｕｓｅｒｓｗｉｔｈｔｏｕｃｈｓｃｒｅｅｎ．ＴｈｅｌｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｐｒｏｇｒａｍｓｔｈｅｇａｉｎｏｆａｍｐｌｉｆｉｅｒｔｏｆｉｔｔｈｅｉｎｐｕｔＳＯｔｈａｔｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｗｏｕｌｄｂｅｍｅａｓｕｒｅｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．ＴｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｉｓｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｏｆＲＳ－４８５ｂｕｓ．Ｉｔｉｓａｍｕｓｔｔｏｍａｋｅｓｕｒｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｉｎｇｒｅｌｉａｂｌｙ．ＴｈｅＭＡＸＩ４８２ｉｓｓｐｅｃｉａｌｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄＩＩＩ广东工业大学硕士学位论文ｆｏｒＲＳ一４８５ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄ，ｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｉｓｏｆｇｒｅａｔｉｍｐｏｒｔａｎｃｅａＳｉｔｒｅｌａｔｅｓｔＯｗｈｅｔｈｅｒｔｈｅｕｐｇｒａｄｅｏｆｓｙｓｔｅｍｍａｋｅｓｓｅｎｓｅｏｒｎｏｔ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｏｆｔｈｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｏｎｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓｆｅａｓｉｂｌｅａｎｄｉｔｓｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｒｅｌｉａｂｌｅ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｐｏｓｓｅｓｓｅｓｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｔｒｏｎｇａｎｔｉ－ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅａｎｄＣａｎｂｅｏｐｅｒａｔｅｄｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｐａｐｅｒｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｔｅｄａｉｍｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；Ｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ；ＲＳ一４８５ＩＶ广东工业大学硕士学位论文独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。论文作者签字：指导教师签栖态莅，２一。７年乡月２７日第一章绪论１．１课题背景及意义第一章绪论自从开关电源出现以来，它具有的体积小、重量轻、生产成本低、效率高的优点受到认可。因此，现在广泛用于各种电子设备的电源，例如充电器、电视机、ＶＣＤ、计算机等。它的作用是用来产生一个或者多个稳定的电压源或者电流源，为设备提供一个稳定可靠的工作保障。随着工业的快速发展，对各种电子设备的需求量也就随之快速增长，然而如果与之相匹配的开关电源的生产达不到或者跟不上的话，必将对工业发展的带来一定的制约。本课题来自于“高效中小功率开关电源研发与产业化”，属于产学研结合项目。该项目由佛山市顺德区瑞德电子实业以及广东工业大学合作共同完成。本论文所研究的开关电源测试系统与产业化有些密切的关系。开关电源的负载老化测试是开关电源出厂的一道必要的流程ｎ３。目前企业所使用的大多是需要人监控的老化设备，效率低，不适应大规模大批量的生产要求。对这些设备进行一定的技术改造，使其成为一套自动化的测试控制系统是十分必要的。不带自动控制系统的开关电源老化架与具备该系统的价格差别相当大，因此如果能够掌握这类测控系统的技术，并且能够完善功能、降低成本的话将带来可观的经济效益。１．２研究现状及发展趋势开关电源的测试技术与开关电源自身发展密切相关。日本是开关电源产量最大和自动化生产技术水平最高的国家，采用表面安装元器件（ＳＭＣ／Ｓ佃）和厚膜技术将大多数电子电路元件组成混合集成电路，生产加工实现了自动化，从而提高了开关电源的可靠度，降低了成本，产品真正做到了轻、小、薄。上世纪八十年代初我国开始开关电源的研究工作，与国外相比，在设计技术、生产规模、制造工艺、可靠性程度和产品更新速度等方面，仍然存在较大的差距。目前国内的开关电源老化测试设备主要是老化车。外观结构上基本与书架相广东工业大学硕士学何论文似，一般分为５到７层，每层可摆放约１０个开关电源，靠调节负载量以达到老化要求。可以划分为手动与自动的两类。参照厂商的出售价格，手动的老化车一台约１００００人民币，相比之下，具有自动测试与控制功能的老化车一台约４５０００人民币。价格差别达到４倍多之大，而且购买自动老化车又会发现对于一些客户来说很多功能是没必要的，所以对开关电源老化测试系统进行研究与开发，是十分具有现实意义并且能够产生可观的经济效益的。从项目开发的来源上看，瑞德电子公司开关电源研发组对这项产品有迫切的需要，说明这类产品的智能化升级是产品发展的一个趋势。１．３课题的主要研究工作本课题所研究的对象是开关电源老化测试系统，主要工作包括：研究老化测试系统的工作原理，制定测试系统的系统方案，根据系统方案进行硬件电路设计，画出硬件原理图、印刷电路板图纸，编制适合老化测试系统的控制程序，进行控制测试程序的调试，总结出设计开发经验并进行改进。最终的目标是开发出一套实用的开关电源老化测试系统，满足企业生产的电源产品的老化测试需求，从而带动该行业的生产效率。１．４论文内容安排１．第一章，绪论。主要介绍课题的背景与意义，同时也简单介绍了开关电源测试系统的发展状况；２．第二章，开关电源测试系统的总体方案设计，进行了选择论证；３．第三章，测试系统的硬件设计与调试，详细介绍了由ＲＳ一４８５网络构成的开关电源测试系统的各个硬件单元模块的设计，进行简单的调试；４．第四章，测试系统的软件设计与调试，详细介绍了各个软件单元模块的设计，给出了各个模块的流程图，同时介绍了上下位机的程序编写与调试；５．第五章，工作总结与展望。２第二章系统总体方案的设计第二章系统总体方案的设计２．１功能需求分析本设计从使用简单、调整方便、功能完备出发，通过单片机控制，具有液晶显示，蜂鸣器报警，按键输入，能实现掉电保护，故障状态显示。开关电源老化架内用４８５网络连接。具体功能如下：１．单片机通过６路输出控制开关电源的负载切换；２．开关电源老化架上的各个单片机之间用ＲＳ４８５接口联网通讯，可通过上位机对参数进行统一的设置管理；３．对被老化的开关电源进行电参数监测，防止过流过压故障：４．工作状态下有ＬＥＤ灯实时反映工作及故障状态；５．上位机可监测网内的各个节点的工作及故障状态，一旦发现故障立即通过蜂鸣器报警，并在液晶显示故障位置及故障类型；６．下位机可单独设定参数，并拥有掉电保护功能。２．２系统工作原理开关电源的技术指标主要有交流输入电压、直流输入电压、输出直流电压、输出直流电流（满载时）、电网调整率、负载调整率、输出稳定度、效率（满载时）、输出电压微调范围以及输出纹波。表２—１是一款中小功率开关电源的相关参数。广东工业大学硕士学位论文表２－１开关电源的技术标准Ｔａｂ．２—１ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＳｗｉｔｃｈＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ交流输入电压９０～２６０ＶＡＣ直流输入电压２００—～４００ＶＤＣ输出直流电压５Ｖ，１２Ｖ，２４Ｖ，３３Ｖ输出直流电流（满载时）ｌＡ（５Ｖ），５Ａ（１２Ｖ），８Ａ（２４Ｖ），１Ａ（３３Ｖ）电网调整率±０．３％ＦＳ负载调整率０．５％输出稳定度０．５％效率（满载时）８９％输出电压微调范围±１０％输出纹波＜ｌＯＯｍＶｐ－－ｐ开关电源测试中还有重要的一项就是带负载老化测试，开关电源产品在出厂前必须经过这道程序才能够证明合格出厂。根据开关电源设计参数要求的情况，设置不同的负载使得被测的开关电源处于满载状态，在满载工作状态下持续一段规定的时间，期间检测被测电源的输出情况，这个过程称为开关电源的老化测试。如果在老化期间测出与技术指标不符合，例如超出了表２－１中的参数，就需要重新检查产品的问题。本系统的设计方案根据上述要求，采用单片机控制负载大小的形式来实施对开关电源样品的老化，监测被测样品的电流电压情况，及时反馈故障、实施保护以及报警，并且通过联网对大规模老化实验进行管理。２．３硬件方案２．３．１系统组网方案１．ＲＳ２３２连接。ＲＳ２３２传输距离短，一般用于２０米以内的通信。属于单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题；２．ＲＳ４８５连接。ＲＳ４８５采用差分信号负逻辑，＋２Ｖ～＋６Ｖ表示“０”，一６Ｖ～一２Ｖ表示“１”。ＲＳ４８５有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接３２个结点。在ＲＳ４８５通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。比较之后，采用ＲＳ４８５的组网方案，可实现一带多的结构，而且可摆脱传输４第二章系统总体方案的设计距离短的局限。２．３．２电压监测方案１．电压互感器。它与变压器相近的原理工作。通过副边线圈上所产生的电流精确反映原边线圈上的电压。具有出色的精度、良好的线性度、低温漂、最佳的反应时间和宽频带，抗干扰能力强，有电流过载能力。主要用于测量直流、交流和脉冲电压，适合用在开关电源上；２．电压测量电路。该电路包括由第一和第二电容器组成的电容分压器，还有用于放大第二电容器两端电压的第一和第二放大线路。该放大线路分别连接到由逻辑线路控制的第一和第二可控开关上，该电路进一步包括用于产生由放大线路提供的信号之间代数差的绝对值的电路，还有比较器电路，该电路提供一个输出信号控制逻辑电路，以便当所说的绝对值超过一定阀值时是逻辑电路改变状态；３．应用可编程增益放大器。此方案可以简化方案２的设计。由于电压测量电路与电流测量电路具有相似性，可公用一个可编程增益放大器。比较之后，采用可编程增益放大器方案。因为方案３的设计中可与电流监测共用元器件。２．３．３电流监测方案１．开环器件的电流互感器。它与上述提到的电压互感器相似。应用霍尔效应的开环电流传感器。耗电省，具有开式结构、安装方便，原边与副边之间高度绝缘，穿孔方式、无插入损耗。用于测量直流、交流及脉冲电流，用在通信电源、不间断电源、斩波器、电化学等之中；２．闭环器件的电流互感器。应用霍尔效应的闭环（补偿）电流传感器，具有出色的精度和良好的线性度，低温漂，最佳的反应时间，宽频带，无插入损耗，抗干扰能力强，有电流过载能力。应用于测量直流、交流、脉冲和混合型电流，用在不间断电源、开关电源等；３．应用可编程增益放大器。由于电流测量电路与电压测量电路具有相似性，可公用一个可编程增益放大器。广东工业大学硕士学位论文比较之后，选用方案３，因为可以与电压监测共用元器件。２．３．４控制芯片方案１．传统５１系列８位单片机。５１系列单片机成本低，设计应用上容易上手，适用于一般控制器的主控芯片。这类单片机有ＡＶＲ单片机、凌阳单片机、ＳＴＣ单片机等：２．ＡＲＭ系列单片机。这类３２位数据处理，流水线式运算操作，速度快，适合做大量复杂的数字以及逻辑运算。主要应用于通讯、数据处理、消费性电子产品等中高端领域。成本相对较高。比较之后，选用方案１，因为根据对系统的功能分析发现，采用５１系列单片机完全满足系统性能要求，而且现实习所在的瑞德电子公司与深圳宏晶科技有良好的合作关系，因此选用ＳＴＣ单片机作为该系统的主控芯片，在保密性、抗干扰、性价比方面具有一定的优势。２．３．５显示选型１．触摸屏显示模块ＤＶ３２０２４０ＧＢ８８０６。它与方案２比较，最大的好处在于方便用户操作，也为日后的扩展做好了准备。这款带触摸的液晶显示模块自带中文字库；２．不带触摸的液晶显示模块。它是单纯的图形点阵显示，没有触摸屏输入；３．数码管显示。它与液晶显示相比，显示的信息简单，价格便宜；４．ＬＥＤ灯。ＬＥＤ灯显示简单的开关量信息，亮度高。比较之后，上位机选用方案１与方案４，下位机选用方案３与方案４。上位机需要显示的信息量大，并且选用带触摸屏有利于用户输入与未来扩展，重要的状态报警信息用ＬＥＤ同时显示。下位机显示的主要是检测的电流电压值以及状态信息，选用数码管与ＬＥＤ的组合较为合适。２．４软件方案实现具体内容下位机的数码管轮流显示检测的电流以及电压的数值。５个ＬＥＤ灯分别代表６第二章系统总体方案的设计“电流”、“电压”、“过流”、。‘过压’’、“掉线”。５个按键分别为。‘‘增加”、“减少”、“设置”、“确认”、“取消”。上位机启动后先通过４８５通信读取下位机的状态信息，定时刷新显示所有下位机的信息。矩阵式按键功能如表２－２所示：表２－２矩阵式键盘的按键功能Ｔａｂ．２－２ＳｅｔｔｉｎｇｏｆｔｈｅＫｅｙｂｏａｒｄ７８／ｆ９／ＰｇＵｐＤｅｌ≮｝一５６／一组合键（斜杠后的）ｌ２／ｌ３／ＰｇＤｎＥｓｃＯ小数点ＳｅｔＥｎｔｅｒ在输入设置时也可以通过触摸屏来实现快速光标定位。６个ＬＥＤ灯分别表示“系统正常”、“有过流故障”、“有过压故障”、“有通信故障”、“设置状态”、“显示信息状态”。每次设置好的电流、电压门槛，负载设置参数都将通过单片机的ＥＥＰＲＯＭ存储。上位机与下位机之间的４８５全双工通信要做到可靠。预留有上位机扩展无线通信的功能。如果有任何一个下位机出现故障，上位机的蜂鸣器讲进行报警，并于屏幕上显示故障下位机的位置、故障类型。２．５本章小结本章首先分析了开关电源测试系统总体需求，描述了系统的工作原理。紧接着进行了硬件方案的选择论证，在此基础上讨论了通过软件所能实现的具体功能，为系统开发工作指明了方向。７广东工业大学硕士学位论文第三章测试系统的硬件设计与调试在总体方案设计中，电源测试系统的两个部分为：上位机监控中心和下位机电参数检测控制器。其中监控中心是控制系统的核心，由单片机控制芯片、人机接口设备和外围设备及软件设备组成。它所执行的是整个系统的统筹工作，包括设定测试负载量的大小、显示报告各个被测开关电源的运行状态、根据故障状态判断处理手段等。由于它要通过ＲＳ－４８５网络进行频繁的数据交换，并且驱动触摸屏，对控制芯片的性能要求会比较高。３．１上位机硬件设计在ＭＣＵ的选择上，除了稳定可靠、通用化以外，同时也要考虑到系统的成本。现在市面上的单片机种类很多，其价格也有相当大的区别，在保证系统的可靠性和功能完整性的前提下采用了性价比高的ＳＴＣｌｌＦ５６Ｅ单片机，在外围的元器件选择上也充分考虑了这一点，选择的都是性价比较高的产品。对单片机进行系统扩展时必须考虑单片机总线的驱动能力。上位机部分的硬件结构如图３—１所示。图３－１上位机结构示意图‘２３‘３１‘４１Ｆｉｇ．３—１ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＦｉｇｕｒｅｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ第三章测试系统的硬件设计与调试上位机主要承担系统与人的交互以及整个系统的协调控制的任务，因此硬件上也主要由这两大部分构成。其中图３－１中的触摸屏、键盘、ＬＥＤ灯与蜂鸣器属于人机界面部分，而４８５通信接口是与下位机联系的必要的组成部分。为了描述方便，本文将根据构成系统的各个功能模块对整个测试系统设计过程进行剖析。首先我们先来分析上位机ＭＣＵ选择ＳＴＣｌｌＦ５６Ｅ单片机的必要性。３．１．１上位机ＭＧＵ简介ＳＴＣｌｌＦ５６Ｅ单片机是宏晶科技推出的一款抗干扰能力强、保密性好、高速高可靠以及低功耗的单片机。它的主要特点如下拍３：１．完全兼容普通８０５１指令集，有硬件乘法、除法指令；２．速度快，实现１个时钟／机器周期，速度比普通８０５１快８～１２倍；３．３６个通用１０口，比普通８０５１多４个；４．５６Ｋ字节的Ｆｌａｓｈ程序存储器，１２８０字节的ＳＲＡＭ，５ＫＥＥＰＲＯＭ；５．具有硬件看门狗；６．内部集成ＭＡＸ８１０专用复位电路；７．内置一个对内部Ｖｃｃ进行掉电检测的掉电检测电路，可设置为中断或复位；８．有１个独立波特率发生器，而不必占用Ｔ２定时器；９．掉电模式可由内部掉电唤醒专用定时器唤醒。根据以上的特点描述，我们可以看出，它的性能完全满足作为系统上位机的需要。根据第二章所讲的功能分析以及上位机的原理框图图３－１，ＳＴＣｌ１Ｆ５６Ｅ的Ｉ／Ｏ分配如表３－１。９广东工业大学硕士学何论文表３－１上位机ＭＣＵ的Ｉ／ｏ分配情况Ｔａｂ．３—１Ｉ／ＯＰｏｒｔｓＡｌｌｏｃａｔｉｏｎＴａｂｌｅｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒＭＣＵＩ／Ｏ引脚名称连接外部的功能ＰＯ．Ｏ～Ｐ０．７作为数据总线使用。连接的包括：触摸屏模块的８位数据线，２片锁存器的输入端，ｌ片缓冲驱动器的输出端Ｐ１．ＯＭＡＸｌ４８２的ＤＥ引脚ＰＩ．１ＭＡＸｌ４８２的ＲＥ引脚Ｐ１．２蜂呜器的驱动信号ＢＵＺＯＵＴＰ１．３～Ｐ１．７，Ｐ４．４～Ｐ４．６引出接口，未来扩展功能用（例如无线通信）Ｐ２．Ｏ锁存器１的锁存使能信号ＬＥｌＰ２．１锁存器２的锁存使能信号ＬＥ２Ｐ２．２缓冲驱动器的使能信号Ｙ１Ｐ２．３触摸屏模块的片选信号ＣＳＰ２．４触摸屏模块的指令／数据选择信号ＲＳＰ３．ＯＭＡＸｌ４８２的ＲＯ引脚Ｐ３．１ＭＡｘｌ４８２的ＤＩ引脚Ｐ３．２ＭＡＸ８１３Ｌ的ＰＦＯ引脚Ｐ３．３触摸屏模块的忙碌信号ＢＵＳＹＰ３．４触摸屏模块的中断信号ＩＮＴＰ３．５触摸屏模块的复位信号ＲＳＴＰ３．６触摸屏模块的写信号ｗＲＰ３．７触摸屏模块的读信号ＲＤＰ４．７ＭＡＸ８１３Ｌ的ＲＥＳＥＴ弓ｌ脚３．１．２ＲＳ－４８５通信模块工作原理与应用ＲＳ４８５通信作为系统的其中一个设计重点，它的性能好坏决定了这个电源老化测试系统的成败，因此在这里会做较为详细的介绍说明。串行通信是单片机与外界进行数据交换的一种常用的方式，它能够有效地解决单个单片机性能不够的局限性。因为随着科技的发展，对产品的功能需求日趋多元化，这就使得控制系统的复杂程度也越来越来高，在很多场合下，需要多个单片机相互协作，共同完成整个系统的管理工作。在这类系统当中，可以使用ＲＳ２３２接口连接多个单片机或者ＰＣ与单片机，但是由于ＲＳ２３２接口标准的推出时间比较早，其传输速度慢、传送距离短的缺点在很多时候无法满足工业应用中多机系统的通信要求，所以实际应用中往往使用ＲＳ８５接口标准№１。在第二章的老化系统组网方案中，我们把ＲＳ２３２与ＲＳ４８５作为候选参考进行第三章测试系统的硬件设计与调试了筛选，接下来可以对照这两种协议以及接口进行详细的讨论，分析出选择ＲＳ４８５作为联网方式的原因。３．１．２．１ＲＳ２３２接口的缺点使用ＲＳ２３２标准时，通信两端使用的驱动器和接受器分别负责ＴＴＬ电平到ＲＳ２３２电平和ＲＳ２３２电平到ＴＴＬ电平的转换。由于这两类芯片均使用单端电路，因此两者之间的接地电位的电位差Ｖｓ可能相差会比较大，这在通信距离较远时将尤为明显，同时信号电平也容易受到干扰。ＲＳ２３２规定最大负载电容为２５００ｐＦ，这个电容也限制了传送距离以及传送速率，而且ＲＳ２３２电路本身也不具有抗共模干扰的特性，ＲＳ２３２的通信距离和通信速率均受到了限制。综上所述，ＲＳ２３２接口的缺点主要表现在以下几个方面：１．数据通信速率低。ＲＳ２３２规定的最高传输速率２０ｋｂｉｔ／ｓ虽然可以满足一般的异步通信需要，但是并不能满足同步传输的要求；２．通信距离短。使用ＲＳ２３２接口的通信线路在１５米左右可以达到正常的通信要求，但无法满足更长的通信距离，即使使用极好的线路器件和良好的信号条件，也无法使电缆长度超过６０米；３．抗干扰能力差。通信两端的电平转换电路均为单端电路，无法抑制共模干扰，各信号间也容易受到串扰干扰。在这种情形下，１９７７年ＥＩＡ制定的ＲＳ一４４９除了保留与ＲＳ一２３２Ｃ兼容的特点外，还在提高传输速率，增加传输距离及改进电气特性等方面作了很大努力，并增加了１０个控制信号盯１。与ＲＳ－４４９同时推出的还有ＲＳ－４２２和ＲＳ－４２３，它们是ＲＳ－４４９的标准子集。另外，还有ＲＳ－４８５。它是ＲＳ－４２２的变形。ＲＳ－４２２、ＲＳ一４２３是全双工的，而ＲＳ－４８５是半双工的。因ＲＳ－４８５为半双工的，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输。用于多站互连时可节省信号线，便于高速、远距离传送。在这里有必要注意的是，既然ＲＳ－４８５是ＲＳ－４２２的变形，“全双工ＲＳ－４８５网络”实际上指的就是ＲＳ－４２２网络，它需要４根线进行多机通信。在很多表述上，ＲＳ－４２２都归类为ＲＳ－４８５，作为ＲＳ－４８５的增强形式。广东工ｑｋ大学硕士学位论文３．１．２．２ＲＳ－４８５总线概况ＲＳ－４８５使用一对双绞线，将其中一根线定义为Ａ，另一根线定义为Ｂ。在通常情况下，发送驱动器Ａ、Ｂ２＿间的正电平在＋２～＋６Ｖ，是一个逻辑状态，负电平在一６～一２Ｖ，是另一个逻辑状态。另外有一个信号地Ｃ，在ＲＳ－４８５中还有一“使能”端，用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“ｌ”与“０”的第三态。ＲＳ－４８５最大传输距离约为１２００米，最大传输速率为ｌＯＭｂｐｓ。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在ｌＯＯｋｂ／ｓ速率以下，才可以使用规定中最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能够获得最高的传输速率。一般１００米长的双绞线的最大传输速率仅为ＩＭｂｐｓ。ＲＳ－４８５具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备嘲‘９１。相比起ＲＳ一２３２Ｃ，ＲＳ一４８５具有以下优点：１．逻辑“１”由＋２～＋６Ｖ表示；逻辑“０”由－－６一－－－２Ｖ表示。接口信号电平比ＲＳ－２３２Ｃ降低了，就不易损坏接口电路芯片，并且该电平与ＴＴＬ电平兼容，可方便与ＴＴＬ电路连接；２．ＲＳ－４８５的数据最高传输速率为ｌＯＭｂｐｓ，ＲＳ一４８５接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好；３．ＲＳ－４８５接口的可以实现远距离输送，另）｝＇ＲＳ－２３２Ｃ接口在总线上只允许连接１个收发器，即单站能力。而ＲＳ一４８５接口在总线上是允许连接２５６个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的ＲＳ－４８５接口方便地建立设备网络。因为ＲＳ－４８５接口具有良好的抗噪声干扰性、长的传输距离和多站能力等优点就使其成为首选的串行接口。另外，因为ＲＳ－４８５接口组成的半双工网络，一般只需两根连线，所以ＲＳ－４８５接口均采用屏蔽双绞线来传输，接口连接器采用ＤＢ一９的９芯插头座，与智能终端ＲＳ－４８５接口采用ＤＢ－９孑Ｌ，与键盘连接的键盘接口ＲＳ一４８５采用ＤＢ一９针ｎｏ儿¨ｍ㈨１。作为对比，如表３－２所示为ＲＳ－２３２Ｃ、ＲＳ一４２２Ａ、ＲＳ－４８５的性能比较ｎ制。第三章测试系统的硬件设计与调试表３－２ＲＳ－２３２Ｃ、ＲＳ－４２２Ａ、ＲＳ一４８５的性能比较Ｔａｂ．３－２ＣｏｍｐａｒｉｓｉｏｎｏｆＲＳ一２３２Ｃ、ＲＳ一４２２Ａ、ＲＳ一４８５接口ＲＳ一２３２ＣＲＳ－４２２ＡＲＳ－４８５操作方式单端差动方式差动方式最大距离／ｍ１５（２４ｋｂ／ｓ）１２００（１００ｋｂ／ｓ）１２００（１００ｋｂ／ｓ）最大速率２００ｋｂ／ｓｌＯＭｂ／ｓ１０Ｍｂ／ｓ最大驱动器数目１１３２最大接收器数目１ｌＯ３２接收灵敏度±３Ｖ±２００ｍＹ±２００ｍＹ驱动器输出阻抗３００Ｑ６０ｋＱ１２０ｋＱ接收器负载阻抗３～７ｋＱ＞４ｋＱ＞１２ｋＱ负载阻抗３～７ｋＱ１００Ｑ６０Ｑ对公用点电压范围／Ｖ±２５一Ｏ．２５～＋６—７～＋１２３．１．２．３ＲＳ一４８５总线驱动ＲＳ－４８５接口可以连接成半双工和全双工两种通信方式，这两种方式都有对应的驱动芯片。半双工通信芯片有ＳＮ７５１７６、ＳＮ７５１２７６、ＳＮ７５ＬＢＣｌ８４、ＭＡＸ４８５、ＭＡＸｌ４７８、ＭＡＸ３０８２、ＭＡＸｌ４８３等。全双工通信芯片有ＳＮ７５１７９、ＳＮ７５１８０、ＭＡＸ４８８～４９１、ＭＡＸｌ４８２等。通过通信芯片的性能比较发现，支持网络节点为２５６的全双工通信芯片ｌＩＩＡＸｌ４８２比较符合开关电源老化测试系统的应用需求。以下就对这款驱动芯片做一些简单的说明。在表３－２中，ＲＳ－４８５网络节点数是３２，然而如果使用ＭＡＸｌ４８２作为站的收发器，由于它的输入阻抗是标准接收器的８倍，所以网络上可以挂２５６个站ｎ５１。ＭＡＸｌ４８２是专门为ＲＳ一４８５通信应用所设计的低功耗收发器。它能够很大程度上消除总线上的反射信号以及电磁干扰。通信速率最大能够达至ｆ１２５０ｋｂｐｓ。它由５伏电源供电，在工作状态下从电源拉动２０ｕＡ的电流，而在它独特的“低电流关机模式”中仅仅消耗Ｏ．１ｐＡ的电流。对比其他芯片，它的主要特点如下：１．使用＋５Ｖ单电源工作；２．工作电流仅仅需要２０ｕＡ；３．限斜率有助于消除电磁干扰与削弱反射；４．低电流关机模式下电流只需要０．１２０ｕＡ；５．共模输入电压范围为一７～＋１２Ｖ；６．能够允许的总线上的收发器总数可以达至Ｕ２５６个；７．具有过载保护功能。基于上述特点，ＭＡＸｌ４８２主要应用的场合有：１．低功耗的ＲＳ一４８５／ＲＳ一４２２网络；２．对电磁干扰非常敏感的场合；３．工控局域网络；４．大型的２５６个节点的局域网。～１ＡＸｌ４８２的引脚功能描述见表３—３。表３－３ＭＡＸｌ４８２的引脚功能描述Ｔａｂ．３－３ＭＡＸｌ４８２ＰｉｎＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ引脚号名称功能２Ｒ０接收器输出。在ＲＥ为０的前提下，如果Ａ比Ｂ高２００ｍＶ或者Ａ与Ｂ没有接上，则ＲＯ输出高电平；如果Ａ比Ｂ低２００ｍＶ，则ＲＯ输出低电平。３ＲＥ接收器输出时能。引脚为０，允许接收器输出：引脚为ｌ，禁止接收器输出。假如ＲＥ为１同时ＤＥ为０，则芯片进入低电流关机模式。４ＤＥ驱动器输出时能。引脚为ｌ，允许驱动器工作；引脚为０，禁止驱动器工作。假如ＲＥ为１同时ＤＥ为０，则芯片进入低电流关机模式。如果允许驱动器工作，该设备的功能相当于线驱动器。５ＤＩ驱动器输入。在ＤＥ为ｌ的前提下，ＤＩ为０，则Ｙ输出低电平且Ｚ输出高电平：ＤＩ为ｌ，则Ｙ输出高电平且Ｚ输出低电平。６，７ＧＮＤ接地端９Ｙ驱动器同相输出端１０Ｚ驱动器反相输出端１２Ａ接收器同相输入端１１Ｂ接收器反相输入端１４Ｖｃｃ电源端。电压范围可以是４．７５Ｖ’５．２５Ｖ。ｌ，８，１３Ｎ．Ｃ．空脚，不需要连线。发送功能和接收功能的设置（真值表）如表３—４、表３—５所示。表３－４ＭＡｘｌ４８２发送功能表Ｔａｂ．３—４ＭＡＸｌ４８２ＤｅｌｉｖｅｒＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ输入输出ＲＥＤＥＤＩＺＹＸｌ１Ｏ１Ｘ１０ｌ０Ｏ０Ｘ高阻高阻１ＯＸ高阻高阻１４第■章测试系统的硬件设计与调试表３－５ＭＡ）（１４８２接收功能表Ｔａｂ．３－５ＭＡＸｌ４８２ＲｅｃｅｉｖｅｒＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ输入输出ＲＥＤＥＡ－ＢＲＯＯ０＞＋０．２Ｖ１０Ｏ＜一０．２Ｖ０Ｏ０输入开路１１ＯＸ高阻如图３－２所示，当由ＭＡＸｌ４８２芯片作为ＲＳ－４８５网络上的收发驱动器的时候，只是需要４根连线即可，这使得组网变得尤为方便。但在这当中值得注意的是，图中只有分居左右两侧的两块ＭＡＸｌ４８２的差分信号线之间（也就是驱动器的同相输入端Ｙ与反相输入端Ｚ之间，还有接收器的同相输入端Ａ与反相输入端Ｂ之间）是需要串接上一个１２０Ｑ的电阻。这两片芯片其中一片（图中左边的）是作为整个网络的终端，另外一片则是在位置上处于总线的另一端。图３－２ｌｉＡＸｌ４８２芯片构成的全双工ＲＳ一４８５通信网络Ｆｉｇ．３－２ＭＡＸｌ４８２Ｆｕｌ１一ＤｕｐｌｅｘＲＳ一４８５Ｎｅｔｗｏｒｋ３．１．２．４ＲＳ－４８５网络的接口与连线ＲＳ－４８５使用三种标准接口连接器，一种为３７引脚的Ｄ型口，一种为９引脚的Ｄ型口旧１，还有一种为８引脚的Ｄ型口，这三种连接器对应的管脚说明分别如表３－６、表３—７、表３－８所示。广东工业大学硕士学ｆ讧论文表３－６３７引脚连接器信号说明Ｔａｂ．３－６３７一ＰｉｎＣｏｎｎｅｃｔｏｒＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ引脚号符号缩写说明ｌＳｈｉｅｌｄ屏蔽地２ＳＲＩ信号速率指示器３ｎ／ａ空脚４ＳＤ＋发送数据＋５ＳＴ＋发送时钟＋６ＲＤ＋接收数据＋７ＲＴＳ＋请求发送＋８ＲＴ＋接收时钟＋９ＣＴＳ＋允许发送＋１０ＬＬ本地回送１１ＤＭ＋数据模式＋１２ＴＲ＋数据终端准备好＋１３ＲＲ＋接收设备准备好＋１４ＲＬ远端回送１５ＩＣ来话呼叫１６ＳＦ／ＳＲ信号速率选择／频率选择１７ＴＴ＋终端同步＋１８ＴＭ测试模式１９ＧＮＤ信号地２０ＲＣ接收公共端２ｌｎ／ａ空脚２２ＳＤ－——发送数据一２３ＳＴ一发送时钟一２４ＲＲ一接收准备好一２５ＲＴＳ・——请求发送一２６ＲＴ一接收同步一２７ＣＴＳ—－—允许发送一２８ＩＳ终端正在服务２９ＤＭ一数据模式一３０ＴＲ一数据终端准备好一３１ＲＲ一接收设备准备好一３２ＳＳ备用选择３３ＳＯ信号质量３４ＮＳ新信号３５ＴＴ一终端同步一３６ＳＢ备用指示器３７ＳＣ发送公共端１６表３－７９脚连接器信号说明Ｔａｂ．３－７９－ＰｉｎＣｏｎｎｅｃｔｏｒＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ引脚号符号缩写说明１Ｓｈｉｅｌｄ屏蔽地２ＲＴＳ＋请求发送＋３ＲＴＳ・——请求发送一４ＴＸＤ＋发送数据＋５ＴＸＤ－——发送数据一６ＣＴＳ＋允许发送＋７ＣＴＳ－・—允许发送一８ＲＸＤ＋接收数据＋９ＲＸＤ一接收数据一表３－８８脚连接器信号说明Ｔａｂ．３－８８－ＰｉｎＣｏｎｎｅｃｔｏｒＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ引脚号符号缩写说明１ＴＸ＋发送数据＋２ＴＸ———发送数据一３ＲＸ＋接收数据＋４，５，７，８ＮＣ空脚６ＲＸ・－－接收数据一由上面的对比可以看出，３７脚的连的场合，而且占用的ＩＯ资源相当多；８接脚器最复杂，一般应用在要求比较苛刻连接器的结构相对比较简单，它实际上就是我们最常见的电脑网线接口，与ＭＡＸｌ４８２接口转换芯片连接比较方便。它与ＭＡＸｌ４８２芯片的硬件连线如图３－３所示。图３－３ＲＳ－４８５通信接口部分电路Ｆｉｇ．３－３ＲＳ一４８５ＮｅｔｗｏｒｋＩｎｔｅｒｆａｃｅＣｉｒｃｕｉｔ图３－３中芯片ＭＡＸｌ４８２的ＲＯ、ＲＥ、ＤＥ、ＤＩ引脚分别与单片机的Ｐ３．０（ＲｘＤ）、广东工业大学硕士学化论文Ｐ１．１、Ｐ１．０、Ｐ３．１（ＴｘＤ）相连，并且都加上了１０Ｋ的上拉电阻。５伏电源与地之间的电容用于增强电源的稳定性。图中的两个１２０Ｑ的电阻是接在总线末端的匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证信号传输无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当ｕ钔。当总线上没有信号传输时，总线处于悬浮状态，容易受到干扰信号的影响。在总线上差分信号正端Ａ与５伏电源间接一个２０ｋＱ的电阻，正端Ａ与负端Ｂ之间接一个１２０Ｑ的电阻，负端Ｂ与地之间接一个２０ｋＱ的电阻，形成一个电阻网络。当总线上没有信号传输时，，即使有干扰信号，也很难产生串行通信的起始信号０，从而增加了总线抗干扰能力。ＲＳ－４８５网络的连线在前面提到的使用双绞线是在半双工通信的场合，根据上面介绍的接口类型的不同，连线也是与之一一对应的。３７引脚的Ｄ型口使用的是比较粗的４８５总线专用的电缆，９引脚的Ｄ型口使用的是９针的串口连线，而８引脚的Ｄ型口所使用的是ＰＣ联网常用的网线。３．１．３触摸屏驱动在现代工控设备日渐智能化、人性化的今天，触摸屏作为工控系统的人机界面逐渐成为了一种趋势。尤其是在系统显示的信息量多的情况下，为了达到对这些信息进行操作、修改、设定，应用传统的单片机输入设备，例如键盘、按键等，操作会显得相当的繁琐，大大增加了工作人员的工作量，降低了生产或者工作效率。３．１．３．１触摸屏的基本原理典型触摸屏的工作部分一般由三部分组成，如图３—４所示：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。阻性导体层选用阻性材料，如铟锡氧化物（ＩＴＯ）涂在衬底上构成，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘液体材料，如聚脂薄膜。电极选用导电性能极好的材料（如银粉墨）构成，其导电性能大约为ＩＴＯ的１０００倍¨引。１８乏三薹翌薹耋釜譬耋０．兰：．：鎏墨透明导体图３＿４触摸屏结构Ｆｉｇ３－４ＳｔｒｕｔｕｒｅｏｆＴｏｕｃｈＰａｎｅｌ触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图３－５所示。当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。比如，在顶层的电极（ｘ＋．ｘ一）上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极（ｘ＋）之间的距离关系，知道该处的Ｘ坐标。然后，将电压切换到底层电极（Ｙｔｙ－－）上，井在顶层测量接触点处的电压，从而知道Ｙ坐标。Ｙ＋Ｚ一、々图３－５工作时的导电层Ｆｉｇ３－５ＥｌｅｃｔｒｉｃＬａｙｅｒＷｏｒｋｉｎｇＰｒｉｎｃｉｐｌｅ广东工业大学硕士学位论文３．１．３．２触摸屏的控制实现在现在很多工控系统的应用中，将触摸屏作为一个输入设备，对触摸屏的控制也有专门的芯片。很显然，触摸屏的控制芯片要完成两件事情：其一，是完成电极电压的切换；其二，是采集接触点处的电压值（即Ａ／Ｄ）。本文以瑞佑（ＲＡＩＯ）公司生产的芯片ＲＡ８８０６为例，介绍触摸屏控制的实现ｎ７１。ＲＡ８８０６内建一组１０位ＡＤＣ和控制电路，以连接四线电阻式的触控屏幕。对使用者而言，应用触控屏幕的功能只需连接Ｘ＋、Ｘ一、Ｙ＋和Ｙ一等四条信号线到ＲＡ８８０６即可。系统就能不断监测，直到触控的事件（ｔｏｕｃｈｅｖｅｎｔ）发生为止。当触控事件发生时，在屏幕电阻上所产生的分压将决定触控的所在位置。在ＸＹ的坐标值被传回系统（ＲＡ８８０６）并个别储存在特定的缓存器后，触控屏幕控制器（ｔｏｕｃｈｐａｎｅｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）将发出一中断告知微处理机（ＭＰＵ）。在触控屏幕功能的应用上，ＲＡ８８０６提供两种操作模式，分别是“自动模式”和“手动模式”。在“自动模式”中，当触控事件发生时，能自动读回对应的ＸＹ坐标值。“所谓“手动模式”是指从“侦测触控事件”到最后的“读出ＸＹ坐标值”的整个过程，都是由程序设计师以手动操作方式来完成。使用此一模式的优点在于，它给予程序设计师更弹性的应用空间。换句话说，在手动模式下，所有触控屏幕功能相关的缓存器都必须由程序设计师来设定，以软件（程序）控制的方法来实现触控屏幕应有之功能。关于如何通过软件编程来实现触摸屏输入功能，将会在第四章的相应部分作详细的描述。３．１．３．３触摸屏模块的应用触摸屏是与显示屏相配合使用的，所以为了使用上的方便，一些厂商通常将触摸屏薄膜、ＬＣＤ液晶显示屏以及外围所需的元器件组合在一起，引出必要的接线，做成触摸屏模块。在选用触摸屏模块的时候，需要注意和考虑好以下一些问题：１．一般工控系统作为人机界面的触摸屏显示尺寸不能太小。因为操作人员一般是使用手指对触摸屏进行操作的，假如触摸屏尺寸偏小的话操作人员用手指操作就会经常带来定位失误，从而削减了触摸屏的便利性，倘若折中的办法就是使用触摸屏专用的笔，但是这样就会降低效率：第三章测试系统的硬件设计与调试２．有没有必要选择彩色屏幕。一般工控系统显示的信息里面以文字以及一些简单的图形符号为主，倘若没有特殊要求显示效果的情况下通常只选用黑白两色的屏幕；３．触摸屏自身带不带背光。根据工作环境的场合进行选择；４．触摸屏模块自身带不带字库。带字库的通常会稍微贵一点，但是会为显示部分的编程带来不少方便；５．有没有多图层显示支持。这个功能需要硬件上有多个显示内存。在显示信息量变化大的情况下，刷新屏幕显示效果上会有明显差别。在显示一些动态效果上会显得比较平滑；６．是否已经附带接上触摸屏的薄膜。因为很多液晶显示屏的显示尺寸不标准，在市面上另外选择４线电阻式触摸屏薄膜的尺寸往往不能够与之相匹配。所以触摸屏的液晶显示与触摸屏贴膜的分别购置会带来诸多不便。根据系统功能的综合考虑，选用了深圳市迪威液晶的型号为ＤＶ３２０２４０ＧＢ（８８０６）的触摸屏显示模块。外形尺寸如表３—９所示¨引。表３—９ＤＶ３２０２４０ＧＢ（８８０６）外型尺寸Ｔａｂ．３－９ＳｉｚｅｏｆＤＶ３２０２４０ＧＢ（８８０６）项目标准尺寸单位模块体积１６０．０×１０９．０×１３．ＯⅡ皿定位尺寸１５２．０×１０４．７ⅡＵｎ视域１２２．０×９２．ＯⅡＵｎ行列点阵数３２０×２４０ｄｏｔｓ点距离Ｏ．０３×Ｏ．０３ｍｍ点大小０．３３×０．３３ｎ皿在液晶显示屏下面的电路板上，右侧有一列排孔。孔的数量为２０个，对外来说可以通过焊接弯针接成２０引脚的接口，功能如表３－１０所描述的。其中要通过在ＧＮＤ、ＶＯ、ＶＥＥ之间接上电位器来达到调节显示对比度的目的，模块底板的背面已经有一个２０ｋＱ的电位器ＶＲｌ，所以在主板上可以不必再装电位器。２ｌ表３－１０触摸屏模块电路板上的引脚描述Ｔａｂ．３一１０ＰｉｎＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅＴｏｕｃｈＳｃｒｅｅｎＭｏｄｕｌｅ引脚号引脚特性级别引脚功能１ＧＮＤＯＶ电源地２ＶＣＣ＋３．３或５Ｖ电源３ＶＯ一１８．５ＶＬＣＤ驱动电压（外接可调电阻，调节对比度）４ＷＲＨ／Ｌ写信号，低有效５ＲＤＨ／Ｌ读信号，低有效６ＣＳＨ／Ｌ片选信号，低有效７ＲＳ（ＡＯ）Ｈ／Ｌ指令数据选择，Ｈ：指令，Ｌ：数据８ＲＳＴＨ／Ｌ复位信号，低有效，复位完成后拉高９～１６ＤＢＯ～ＤＢ７Ｈ／Ｌ八位三态并行总线１７ＶＯＵＴ（ＶＥＥ）・—・２３ＶＬＣＤ驱动负压电源输出１８ＢＬＡ＋３．３～５Ｖ背光驱动电压１９ＩＮＴＨ／Ｌ中断信号２０ＢＵＳＹＨ／Ｌ忙碌信号上位机单片机与触摸屏模块ＤＶ３２０２４０ＧＢ（８８０６）之间的对应引脚的连线如图３－６所示。模块的八位并行总线与单片机数据总线接口ＰＯ口相连，ＣＳ引脚与ＲＳ引脚分别和高位地址总线中的Ｐ２．３与Ｐ２．４，利用线选法来访问模块的指令存储区与数据存储区。读信号与写信号单片机有对应的专用功能引脚Ｐ３．７与Ｐ３．６。剩下的ＲＳＴ、ＩＮＴ、ＢＵＳＹ主要是单片机与模块之间控制与反馈状态信息的桥梁，分别与单片机的Ｐ３．５、Ｐ３．４、Ｐ３．３连接。Ｐ０．ｏＮｐｏ．７＜＞船０～ＤＢ７Ｐ２．３ＣＳＰ２．４ＲｓＰ３．６／－Ｒ弧Ｐ３．７／ｌ∞助Ｐ３．５ｌ酐Ｐ３．４ⅡｒｒＰ３．３明了ｓＴ图３－６ＤＶ３２０２４０ＧＢ与控制器连接图Ｆｉｇ．３．６ＬｉｎｋｏｆＤＶ３２０２４０ＧＢａｎｄｔｈｅＣｏｎｎｅｃｔｏｒ第三章测试系统的硬件设计与调试３．１．４上位机的Ｉ／０扩展根据单片机的设计经验，５１系列的单片机如果系统不作任何扩展，ＰＯ～Ｐ３接口可作ｉ／ｏ接口使用。只要稍微扩展系统，ＰＯ、Ｐ２接口则被用为地址线，ＰＯ接口还兼做数据线，Ｐ３接口常被用作特殊功能专用引脚，剩下的只有Ｐ１接口作为普通ｉ／ｏ来使用。而在实际应用中，只有８位ｉ／ｏ接口往往是不够用的，所以ｉ／ｏ接口需要扩展。Ｉ／ｏ接口扩展方法主要有两种：总线扩展法和串行口扩展法。总线扩展又可以分为简单ｉ／ｏ扩展和可编程Ｉ／Ｏ接口扩展。扩展Ｉ／Ｏ接口常用芯片有ＴＴＬ、ＣＭＯＳ锁存器、三态门芯片，例如７４系列的３７３、５７３、２４４、２７３、３６７等，这些常用来扩展简单Ｉ／Ｏ接口。可编程芯片常用的有８２５５、８１５５等，利用程序对芯片进行设置，软硬件结合实现对ｉ／ｏ接口的扩展ｎ引。在上位机控制器中，由表３－１可以看出，ＰＯ的８位接口不仅仅要作为数据总线与触摸屏模块相连，而且还要肩负起Ｉ／Ｏ接口扩展的工作。这里需要应用的扩展芯片有２片８位三态锁存器７４ＬＳ５７３瞳∞以及１片缓冲驱动器７４ＬＳ２４４乜¨。如图３－７所示，在Ｐ０的数据总线上“挂上”所需要的扩展芯片，然后通过Ｐ２的地址线选通所需要工作的芯片。广东工ｑｋ大学硕士学位论文ＩＣｌ００Ｏｌ０２０３０４０５０６０７００Ｏｌ０２０３０４０５０６０７７４ＬＳ５７３ＩＣ３Ｅ■ｉ１Ｙ２ｌＡ２ＩＹ３ｌＡ３１Ｙ４ｌＡ４｜ｉ石Ｉ．．．．．．．．．．．．．．．．．．一７４ＬＳ２４４Ｌｌ－＿一Ｌ２Ｌ３●＿一Ｌ４ＬＥＤｌＬＥＤ２ＬＥＤ３ＬＥＤ４ＬＥＤ５ＬＥＤ６ＨｌＨ２Ｈ３Ｈ４图３－７Ｉ／Ｏ接口扩展电路‘Ｆｉｇ．３—７ＩｎｔｅｒｆａｃｅＣｉｒｃｕｉｔｆｏｒＥｘｔｅｎｄｉｎｇＩ／ＯＰｏｒｔｓ其中上位机ＭＣＵ的Ｐ２．０、Ｐ２．１、Ｐ２．２分别与ＩＣｌ、ＩＣ２、Ｉｔ３片选相连。这里的选片方式是线选法。这种方法是把单片机高位地址线分别与多个扩展芯片的片选端连通，控制选择各条线的电平，以达到选片目的。线选法优点是接线简单，适用于扩展芯片较少的场合，缺点是芯片地址不连续，地址空间利用率低。．ＩＣ２的输出端用于控制６个ＬＥＤ灯的点亮与否，低电平有效。ＩＣｌ的Ｌ１～Ｌ４是与矩阵式键盘的列线相连，ＩＣ２的Ｈ１～Ｈ４是与矩阵式键盘的行线相连。３．１．５矩阵式键盘在开关电源老化测试控制系统中，上位机除了触摸屏作为整个系统的人机界面外，还需要考虑研究另一套输入设备。这里比较常用的就是矩阵式键盘。下面简单介绍一下矩阵式键盘工作原理。将单片机的Ｉ／Ｏ口线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线和列线的交叉点上，这就构成了矩阵式键盘。矩阵式键盘中按键的数量可达到２４丽一０ｌ２３４５６７２ｌ．Ｆ啪叭；｜ｍ叭哪肼Ｍ眦Ⅲ啪一溉．１西而第三章测试系统的硬件设计与调试行线数ｎ乘以列线数ｍ，如４行、４列的矩阵式键盘的按键数可以达到４×４＝１６个。由此可见，矩阵式键盘在按键数较多的情况下，可以节省Ｉ／０资源。如图３－８所示，单片机所接出的行线Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４与列线Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４构成了１６键的键盘。判断是否有按键按下的方法分为以下几步ｎ９１：１．向所有列线Ｗｏ口输出低电平后，将行线的电平状态读入累加器Ａ中。若无键按下，行线仍保持高电平状态，若有键按下，行线至少应有一条为低电平；２．确定有键按下后，求键码。求键码的方法是：依次从一条列线上输出低电平，然后检查各行线的状态，若全为高电平，说明该按键不在此列，若不为１，则说明闭合键在该列，且在变为低电平的行的交点上。值得注意的是，在键盘处理程序中，每个键都被赋予了一个键号，由列线Ｉ／ｏ口输出的数据和从行线Ｉ／０口读入的数据可以求出闭合键的键号。卜Ｉ。１０性嘁．［—．＜二卫口・、＝＝Ｉ［弋＿．．．．．．．．．／、竺竺ｌＳ１３￥１４￥１５￥１６－＿■■＿・＿■‘＿———■—・＿ｌ一．——－、．．—＿ｏｏ＿］‘—－ｏｏ＿］‘—＿ｏ。－］。——＿ｏ０——１．．．．．．√ｓ９一￥１０１Ｓ１１一Ｓ１２＿ｌ●—＿■‘—－－＿■■＿・－＿■■＿——－、—＿ｏｏ＿１。—一ｏｏ一］‘—＿ｏｏ一］１－—＿。ｏ——．１．．．．．．－／Ｓ５一Ｓ６一Ｓ７一Ｓ８－＿■■＿－＿ｌ■‘．．Ｉ。＿＿■■＿－——－、—一ｏｏ－］１—＿ｏｏ＿１１—＿ｏｏ＿］‘——．ｏ０——１．．．．．．－／Ｓｌ一Ｓ２一ｓ３一Ｓ４－－—■．＿Ｉ。ｌｌ－—■●＿・——－、—一ｏｏ一］—＿ｏｏ一］—＿ｏ。＿］——．。０——１３．１．６ＤＣ－ＤＣ变换图３－８矩阵式键盘电路原理Ｆｉｇ．３－８ＩｎｔｅｒｆａｃｅＣｉｒｃｕｉｔｏｆＫｅｙｂｏａｒｄ电源转换是控制系统使用中经常遇到的问题。控制系统中常用到的电压有３种：１２伏、５伏以及３．３伏。１２伏主要是继电器以及一些常用的驱动设备中要用到。５伏与３．３伏主要是单片机以及集成芯片的供电需要，３．３伏常在通信中广东工业大学硕士学位论文用到。由于下位机的继电器需要１２伏的电源供电，而且１２伏的开关电源比较常用，因此这里主要需要把１２伏转换为芯片工作所需的５伏电源。根据这种ＤＣ—ＤＣ转换需要，选用ＭＣ３４０６３芯片会为设计带来不少方便。ＭＣ３４０６３是一种用于ＤＣ—ＤＣ电源变换的集成电路，应用比较广泛，通用廉价易购。极性反转效率最高６５％，升压效率最高９０％，降压效率最高８０％，变换效率和工作频率滤波电容等成正比［２２１ｏ实际应用中，有个计算典型电路外围元件参数的自动计算工具软件。只要输入“输入电压＂、“输出电压”、“输出电流”、“输出电压波纹系数”、“工作频率”这几个关键参数就能够生成外围电路图以及元件参数（见图３—９）。图３－９降压电路图Ｆｉｇ．３－９ＣｉｒｃｕｉｔｏｆＳｔｅｐ—ＤｏｗｎＣｏｎｖｅｒｔｅｒ元件计算的参考公式有以下几个：Ｖｏｕｔ（输出电压）＝１．２５Ｖ（１＋Ｒ１／Ｒ２）Ｃｔ（定时电容）＝Ｏ．０００００４＊Ｔｏｎ（Ｉ作频率）Ｉｐｋ＝２木Ｉｏｍａｘ木Ｔ／ｔｏｆｆＲｓｃ（限流电阻）＝０．３３／Ｉｐｋ（３．１）（３．２）（３．３）（３．４）第三奄测试系统的硬件设计与调试Ｌｍｉｎ（电感）＝（Ｖｉｍｉｎ－－Ｖｃｅｓ）＊Ｔｏｎ／Ｉｐｋ（３．５）Ｃｏ（滤波电容）＝ｌｏ＊ｔｏｎ／Ｖｐ－ｐ（波纹系数）（３．６）ｔｏｎ／ｔｏｆｆ＝（Ｖｏ＋Ｖｆ－－Ｖｉｍｉｎ）／（Ｖｉｍｉｎ－－Ｖｃｅｓ）（３．７）其中，Ｖｃｅｓ＝１．ＯＶ，Ｖｆ（快速开关二极管正向压降）＝１．２Ｖ，Ｃｔ决定内部工作频率，Ｒｓｃ决定输出电流，Ｃｏ决定输出电压波纹系数，Ｖｉｍｉｎ为输入电压不稳定时的最小值。在式（３．１）到式（３．７）当中，式（３．１）中的Ｒ１与Ｒ２的选择是尤为关键的，因为它们决定了输出电压Ｖｏｕｔ，通过软件的计算，要使输出为５Ｖ，Ｒ１取ｌｋ，Ｒ２取３ｋ。剩下的通过软件计算以及人工后期调整，得到图３－１０。ｆ∞图３－１０１２Ｖ一５Ｖ变换电路Ｆｉｇ．３一ｉ０Ｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒ１２Ｖｔｏ５ＶＣｏｎｖｅｒｔｉｏｎ３．２下位机硬件设计正如本章刚开始所介绍的那样，下位机负责的主要工作是对于待老化开关电源的“测”与“控”。“测”的是开关电源在电子负载老化过程中的电参数，而“控”的是老化测试中电源所带的负载量的大小。这些要求下位机单片机在选型上与上位机的侧重点有所不同，上位机作为系统的人机界面，所连接的设备比较多，因此要求上位机的Ｉ／Ｏ资源要比较丰富。而相比之下，下位机的工作比较“专一”，需要有ＡＤ转换接口。通过上面的分析比较以后，决定选用的ＳＴＣｌ２Ｃ５４１０ＡＤ作为下位机的主控芯片。这里选用２８脚的窄体ＤＩＰ封装便于芯片的编程以及更换。具体性能特点如下‘２引：１．通用１０口２３个，可设置成４种模式：准双向口／弱上拉（普通８０５１传统ＩＯ口），推挽／强上拉，仅为输入／高阻，开漏。每个１０口驱动能力均可达到２０ｍＡ，但整个芯片最大不得超过５５ｍＡ：广东工业大学硕士学位论文２．１０位ＡＤＣ，８通道。４路Ｐ删，可以当４路Ｄ／Ａ使用：３．１０ｋ字节片内ＦＬＡＳＨ程序存储器，５１２字节片内ＲＡＭ数据存储器；４．６个１６位定时器；５．芯片内ＥＥＰＲＯＭ功能，还有硬件看门狗：６．兼容５ｌ指令集；７．５．５～３．５Ｖ的宽电压范围供电。下位机作为真正的测试终端，结构如图３—１１所示。电源Ｉ．Ｉｒ输出控制信号。Ｉ一——显不４８５通信接口下位机孤ｃＵ卤１ｒ１ｒ数．电流电压测量Ｉ・－Ｌ皿灯码管图３－ｉ１下位机的外围设备Ｆｉｇ．３一ＩｉＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＬｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ与上位机所不同的是，下位机的主要任务是测控。除了具有简单的显示功能外，准确快速地测量出开关电源的电参数状态是关键，并且能够根据上位机的设置来去对老化的负载参数进行控制输出。根据连接的外部设备，需要对单片机ＳＴＣｌ２Ｃ５４１０ＡＤ的Ｉ／Ｏ资源进行合理的调配，分配的结果如表３－１ｌ所示。第ｉ章测试系统的硬件设计与调试表３－１１下位机ＳＴＣｌ２Ｃ５４１０ＡＤ的Ｉ／Ｏ分配情况Ｔａｂ．３—１１Ｉ／ＯＰｏｒｔｓＡｌｌｏｃａｔｉｏｎＴａｂｌｅｏｆＳＴＣｌ２Ｃ５４１０ＡＤＩ／Ｏ引脚名称连接外部的功能Ｐ１．Ｏ／ＡＤＣＯＶ－仰，开关电源电压／电流的检测输出结果，这个信号需要启用单片机的ＡＤ转换器Ｐ１．４可编程增益放大器ＰＧＡｌ１３的片选Ｐ１．５／ＭＯＳＩＳＰＩ接口的数据输出，与可编程增益放大器ＰＧＡｌｌ３的ＳＰＩ数据输入口ＤＩＯ相连Ｐ１．７／ＳＣＬＫＳＰＩ接口的时钟输出，与ＰＧＡｌｌ３的ＳＰＩ的时钟口ＳＬＣＫ相连Ｐ２．Ｏ＇－Ｐ２．５连接继电器驱动芯片的６个输入端，输出高电平有效以驱动继电器闭合，使得相应的负载接上开关电源，实现控制老化负载量的目的Ｐ２．６连接串口转并口芯片７４ＨＣｌ６４的数据输入端Ｐ２．７连接串口转并口芯片７４ＨＣｌ６４的串口时钟输入端Ｐ３．３，Ｐ３．４，Ｐ３．５，Ｐ３．７分别对应ＣＯＭｌ～ＣＯＭ４，４位共阳数码显示管的位控制端Ｐ３．Ｏ／ＲｘＤＭＡＸｌ４８２芯片的接收器输出端ＲＯＰ３．１／ＴｘＤＭＡＸｌ４８２芯片的发送器输入端ＤＩＰ１．１与芯片７４ＨＣｌ６４共同控制指示灯ＬＥＤｌ～ＬＥＤ５Ｐ１．２ＭＡＸｌ４８２芯片的发送器使能端ＤＥＰ１．３ＭＡＸｌ４８２芯片的接收器使能端ＲＥ３．２．１电参数的检测开关电源的输出电压与电流是作为检验产品是否符合实用标准的一项重要参数，因此检测电路的设计是整个测试系统中最重要的一个部分。它的品质高低完全决定了系统的成败。它的复杂性体现在被测对象输出范围的不确定性。因为测试系统要面向所有的开关电源产品。举例来说，单纯是电压范围就一般有小到３伏大至２４伏的，如果不能够按照需要调节放大器的放大倍数，会为数据采集的结果带来很大的误差。正因如此，这里采用了可编程增益放大器（ＰＧＡ）作为检测电压电流的运放，以便保证转换结果的误差能够缩小到可以接受的范围乜劓。应用放大器测量电压、电流有典型的电路，首先介绍其工作原理。电压测量主要是应用同相放大器的原理，由于输入范围变化较大，同相输入端前面要加入电压分压网络降低同相端的输入电压。在一些电子测量仪器、装置或产品中，经常有测量电路中直流电流的需要，因此研发人员开发出各种各样的电流检测集成电路。它是一种Ｉ／Ｖ转换器，将测广东工业大学硕士学位论文量的电流转换成相应的电压，即Ｖ＝ｋＩ，其中ｋ为比例常数。另外，在一些电子产品中要限制输出电流，以防止有故障时（负载发生局部短路或输出端短路、电源输出电压升高等）产生过流而造成更大损失。检测到有过流发生时，可以控制关断电源或负载开关，或以限制的电流输出口５ｌ。图３－１２是一种电流检测电路。ＲＳ是电流检测电阻，ＲＬ是负载（通常为直流电机、电磁阀或加热器等）。当电流流过电流检测电阻时产生一个电压降ＶＲＳ，此电压输入电流检测Ｉ