基于51单片机的放大和整流组件试验器的设计

冯川

（凌云科技集团有限责任公司，湖北武汉 430030）

基于51单片机的放大和整流组件试验器的设计

冯川

（凌云科技集团有限责任公司，湖北武汉 430030）

提出了一种基于51单片机平台开发的某型主力运输机放大和整流组件试验器设计方案。通过硬件设计和软件设计，并经过调试验证，结果表明该试验器能完成对放大和整流组件的所有性能的测试，有方便、快捷等特点，提高了设备的检测效率。

自动化检测设备;51单片机;数字电位器;电量传感器

随着机载设备的不断更新换代，检测设备也在不断地改进，越来越多的检测设备采用自动化检测方式。自动化检测设备既可以提高设备的检测效率，也可以降低由于检测人员误操作而带来的不必要的测试错误，具有广大的发展空间。

文章设计了某型主力运输机放大和整流组件试验器，该试验器用继电器控制电路及闭锁继电器代替机械开关，用数字电位器代替机械电位计，电压电流等模拟量均通过电量传感器转换后，由ADC采集经解码显示于LCD液晶屏上。该试验器将所有放大和整流组件测试步骤模块化，操作者在点击测试按键选择相应的测试项目后，试验器将由程序控制完成测试步骤，操作者只需观察测试现象填写测试报告，很好地实现了放大和整流组件实验器的自动化测试。

1 放大和整流组件试验器的结构和原理

该试验器主要由数字电位计调节电压模拟控制通道Ⅰ和Ⅱ、支撑通道Ⅰ和Ⅱ、比较通道Ⅰ和Ⅱ襟翼收起﹑放下时的位置输出信号，通过指示灯的点亮/熄灭检查和测量各通道电压值来检测通道的调整是否正确。

放大和整流组件试验器结构见图1。

图1 放大和整流组件试验器结构图

设备以51单片机为核心，分为控制单元和测量单元两部分。控制单元主要由51单片机、控制按钮、继电器控制电路、电源电路和数字电位器组成。测试时操作人员通过测试按钮选择测试项目，单片机接收到触发信号后运行程序控制开关电路和数字电位器，数字电位器通过调节电压模拟襟翼放下、收起时的信号。测量单元主要由51单片机、电量传感器、ADC0809和LCD液晶屏组成。、传感器采集电压、电流等模拟信号后通过A/D转换，由单片机读取数值，并显示在LCD液晶屏上，具体如图2所示。

图2 放大和整流组件试验器原理框图

2 硬件设计

硬件电路分为控制单元和测量单元两部分。控制单元负责整个电路继电器的控制，数字电位器的动作及采集产品返回信号后的转换。测量单元负责所有模拟量的时时采集，并将采集到的模拟量通过A/D转换成数字量，经单片机解码于LCD液晶屏上显示。

2．1 控制单元

控制单元主要完成对试验器的开关量及模拟量的控制和返回信号的监控，其原理框图如图3所示。

图3 控制单元原理框图

测试时操作人员通过测试按钮选择测试项目，单片机接收到触发信号后运行程序，程序控制开关控制电路的继电器实现开关量的转换并发送串行数据到数字电位器，数字电位器接受到指令后实现电阻值的变化，以此来改变电压值，实现驱动产品内部继电器的作用。当产品内部继电器工作，相应的面板信号灯燃亮，51单片机扫描到信号灯信号后停止程序。操作人员通过核实技术条件后判断电路是否故障，检查产品无故障后选择其他测试项目进行测试。

2.1.1 数字电位器

数控可编程电阻器DS1867具有阻值可调、精度高、稳定性好、与微处理器接口简单、价格低廉等优点，在控制、仪表等领域得到了广泛的应用。该类数字电位器与外界的数据交换采用SPI接口。在本设计中，所使用的51系列单片机由于没有SPI接口，故主要通过软件编程的方式，实现单片机与DS1867的数据交换，不仅简化了系统的复杂程度，同时使系统的整体成本大大地降低。DS1867内含两个独立的数字电位器，每个电位器在整个电阻值范围内有256个均匀滑臂分支点，在8位数字信号控制下，电位器具有自动改变滑动端与固定端之间阻值的功能，因此，数字电位器又称为数控可编程电阻器。两个8位电阻设定值在掉电后可由芯片内集成的E2PROM自动保存。微处理机与DS1867的通信、控制仅用一个3线串行口来完成。

图4 DS1867内部结构原理图

由图4可知，该数字电位器由电阻阵列、电子开关阵列、译码器、移位寄存器和控制电路等组成。电阻阵列由255个相同的电阻单元串联在固定端H和L之间，形成256个节点，每个节点都接有一个电子开关，256个电子开关的另一端连在一起作为公共端构成了滑动臂W。8位电阻设定值经8/ 256译码器后就接通了电阻阵列中相应一个节点上的电子开关（其余均断开），由此将该节点接到W端上，相当于滑动端W作了一次移动，L与W点之间电阻值RWL相应地发生了改变。RWL由下式计算：

式（1）中RW为滑臂电阻，即电子开关的导通电阻，通常RW≤100Ω，典型值为40Ω;R为电阻阵列中每个电阻单元的阻值;D即输入的数字量。图4中，H0、H1为两电位器高端;L0、L1为两电位器低端;W0、W1为两电位器滑动臂引出端;/RST为串行口复位输入端;CLK为串行口时钟输入端; DQ为串行口数据输入端;SOUT为两电位器滑臂选通输出端;COUT为级联端。图4中的17位I/ O移位寄存器用于存放滑臂选通位及两电位器的电阻设定值，其使用分配情况如图5所示。移位寄存器附加有一个E2PROM映象寄存器，用于掉电时保存设定值，上电后则自动将掉电前所记忆的数据送回移位寄存器。E2PROM可擦写10万次以上，采用这种写入方式使得器件更能长期可靠地工作。

图5 17位I/O移位寄存器

串行数据通信是DQ、CLK和/RST按照时序配合完成的，起始时刻/RST跳变到高电平，并且在一个编程周期内保持，DQ在CLK的高电平脉冲时刻将数据位写入，DQ数据需要在CLK高电平建立已经保持了一定时间。编程时序如图6、7、8所示。

图6 总时序图

图7 起始处时序图

图8 结束处时序图

2.1.2 开关控制电路

开关控制电路由51单片机通过译码电路控制后端闭锁继电器完成。由于试验器有大量开关量信号，并且此开关量信号要求长时间保持以达到机械式开关的作用。译码电路后接普通继电器只能完成瞬时开关量信号转换，不能达到机械开关的效果。若单片机直接控制普通继电器则可以达到机械开关的效果，但因有大量开关量信号，而单片机没有足够的I/O口，因此采用单片机控制4－16译码器，译码器经光耦隔离和2803增强驱动力后控制闭锁继电器的控制端。控制电路见图9。

图9 继电器控制电路

2.1.3 矩阵键盘电路

16个测试按键组成4﹡4矩阵电路，矩阵电路通过MM74C922矩阵键盘编码器与单片机进行连接。工作时，当任意按键被按下，矩阵电路X﹑Y各有一路导通，MM74C922扫描到输入信号后进行编码，发送给单片机，同时数据使能端变成高电平，表示数据可用。单片机接收到信号后根据编码选择相应的程序执行。

图10 矩阵键盘电路

2．2 测量单元

测量单元主要完成对试验器供电电压、消耗电流进行采集并在LCD中显示，其原理框图见图11。

图11 测量单元原理框图

电压、电流信号经过电量传感器转换成0－5V的线性电压信号，此电压信号经过ADC0809进行模数转换，把0－5V的模拟信号转换8位数字信号，单片机接收8位数字信号后进行数据处理，并将处理结果显示在LCD液晶屏上。

ADC0809八位逐次逼近式A/D转换器是一种单片CMOS器件，包括8位的模/数转换器、8通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑，可对8路模拟信号进行分时采集和转换，最大不可调误差小于±1LSB，每个通道转换时间均为100μs。ADC0809没有内部时钟电路，因此必须外接时钟。

工作时，单片机通过P口向A/D转换器发送模拟通道的地址编码信号，并通过地址线和写控制线WR控制地址编码信号的锁存选通相应的模拟输入通道，然后启动A/D转换。当转换结束后，A/D转换器经EOC断发出转换结束的标志信号，经反相后送入单片机的INT0端，向单片机发出中断请求。当单片机响应此中断请求时，单片机通过I/O口和读控制线RD使A/D转换器的OE端为高电平，从而控制转换器的三台数据输出锁存器通过P口向单片机输出转化结果数据。

3 软件设计

3．1 软件功能

本设计的软件采用C51汇编语言进行编写，主要实现放大和整流组件试验器的自动测试。

3．2 控制单元程序

当检测到测试按键发出的信号后，选择相应的测试内容进行执行。程序将控制设备内的继电器进行开关量的转换，并通过串行数据向数字电位器发出指令，使数字电位器模拟控制通道Ⅰ和Ⅱ、支撑通道Ⅰ和Ⅱ、比较通道Ⅰ和Ⅱ襟翼收起﹑放下时的位置输出信号。当产品内部继电器工作时，单片机扫描到响应的返回信号后停止运动，待操作者观察完现象填写测试报告后进行下一步测试。控制单元主体程序和测试分步程序流程图分别见图12、13。

图12 控制单元主体程序流程图

图13 测试分步程序流程图

3．3 测试单元程序

测试单元程序采用中断方式对ADC0809的数据进行采集，采集到的8位数字量经程序处理，并将处理结果显示在LCD液晶屏上。

中断方式的编程思路：①打开相关的中断设置。②向ADC0809写入通道号并启动转换。③等待A/D转换完成后产生中断申请。④响应中断申请，从ADC0809读取采集到的数据并存入内存单元。流程图见图14。

图14 测量单元软件流程图

4 结束语

本文设计了一种基于51单片机的放大和整流组件试验器，经过调试验证，该试验器能完成对放大和整流组件的所有性能的测试，并将测试步骤固定模块化，方便了操作者的测试，并大大缩短了检测时间，提高了设备的检测效率。

［1］华成英，童诗白．模拟电子技术基础［M］．北京：高等教育出版社，2003．

［2］阎石．数字电子技术基础［M］．北京：高等教育出版社，2003．

［3］李广弟．单片机基础［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2001．

［4］宋家友．集成电子线路设计手册［M］．福建：福建科学技术出版社，2002．

［5］张晨．8051单片机［M］．北京：人民邮电出版社，2007．

［编校：邓桂萍］

Design of Amp lifying and Rectifying Com ponent Tester Based on 51 Single－Chip Microcomputer

FENG Chuan
（Lingyun Science＆Technology Group Co．，LTD，Wuhan Hubei 430030）

This paper introduces the amplifying and rectifying component tester of a certain type of militarymain force transport plane based on the development of 51 single－chip microcomputer platform，especially focusing on the application of tester structure，work principle and the automatic detection method of digital potentiometer，power sensors，AD conversion，etc．

automated test equipment;51 single－chip microcomputer;digital potentiometer;power sensor;AD conversion

V241．06

A

1671－9654（2011）04－059－06

2011－11－01

冯川（1983－），男，湖北武汉人，工程师，在职研究生，研究方向为智能测试技术。