某设备监控系统的设计

李四明 林高源

摘要：介绍某设备监控系统的功能原理，并对监控系统的软硬件设计和设计思路作了详细的阐述。

关键词：监控电路;参数处理

1 引言

某设备采用大功率真空器件行波管，监控系统的可靠设计对设备的可靠性至关重要。本监控系统从提高可靠性的角度进行设计，主要是硬件设计、软件设计、显示设计等。本监控系统的主要功能是完成本/遥控状态下对设备开机和关机的控制、对设备的故障进行监测并锁定和处理、上报设备当前状态信息和故障信息。

2 工作原理

监控系统由电源组件、监控电路、参数处理、显示单元等组成。

电源组件为监控电路和参数处理提供电源。

监控电路完成对本地按键的采集，响应“预热”、“高压”、“关高压”、“关机”、“故障清除”按键命令;完成遥控开/关机命令包括串口命令和脉冲命令及在线/离线监控电路切换命令的采集、响应，并把故障和状态进行串口上报;监控电路实行A、B路双冗余功能，提高了系统的可靠性，监控电路A和B的功能完全一致，可以互换，备份的监控输出为高阻态，通过设置电路里26ls31的控制端G和 来控制监控的输出，当G为低电平并且 为高电平时，输出为高阻态;完成与水冷系统的串口通讯，检测水冷系统内的故障;产生设备的GATE触發信号，供设备产生调制脉冲。

参数处理完成对行波管阴极电流和收集极电流参数的处理并进行AD转换，对体电流故障进行保护;对功率值进行AD转换处理，对功率低故障进行保护;对阴极高压进行AD转换处理;对灯丝电流进行AD转换处理，对灯丝过流故障和灯丝欠流故障进行保护;对电源组件的故障进行保护;对高压过压、高压欠压、高压过流进行故障保护;所有故障通过串口上报监控电路;所有故障和状态的并行数据送液晶显示;将GATE触发转换成TTL信号给设备内的调制器;根据预热和高压命令来控制灯丝、水冷及计时器工作。

显示单元完成主要参数在液晶屏上的显示。用户可以通过参数了解设备的工作状态，包括阴极高压、阴极电流、收集极电流、发射功率、灯丝电流及行波管工作计时器等。

3主要硬件设计

3.1 监控电路的硬件设计

监控电路担负着设备正常工作时状态的指示、状态监测以及发生故障时保护设备的功能，其可靠性、准确性至关重要。监控电路电路框图如图1所示。

按键：用于本控操作，通过cc14490芯片接收 “预热”、“高压”、“关高压”、“关机”、“故障清除”、“切换”、“内触发/外触发”按键。本控时，如果在线的监控电路按下“切换”键，在线监控电路把“在线切换开关同步信号出”脉冲信号传到另一个监控电路作为“在线切换开关同步信号入”信号，原离线监控电路变为在线，原在线监控电路输出高阻变成离线状态;整个离线/在线切换过程仅需一个时钟周期，可实现无缝切换;遥控时，当信号处理发来主路在线命令时，如果此时主路在线，则不响应命令;如果此时备路在线，则备路把“在线切换开关同步信号出”传到主路监控电路作为“在线切换开关同步信号入”信号，主路监控电路收到此信号后变为在线状态，备路监控电路变为离线状态; 整个离线/在线切换过程仅需一个时钟周期，可实现无缝切换;遥控时，当信号处理发来备路在线命令时，如果此时备路在线，则不响应命令;如果此时主路在线，则主路把“在线切换开关同步信号出”传到备路监控电路作为“在线切换开关同步信号入”信号，备路监控电路收到此信号后变为在线状态，主路监控电路变为离线状态; 整个离线/在线切换过程仅需一个时钟周期，可实现无缝切换。内触发信号由监控电路生成，外触发信号由设备生成。

遥控复位/预热命令：触点信号，用74LV04进行接收，触点闭合时可复位或预热。

与信号处理的串口：通过26ls32和电压转换芯片74LV164245接收信号处理的串口命令，有“预热”、“高压”、“关高压”、“关机”、“故障清除”、“复位”命令，并通过26ls31上报设备当前的状态和故障信息。

设备内的故障：通过26ls32及隔离运放芯片再经过74LV04进行接收采集设备内的故障，包括电源组件、钛泵电源、体电流等故障，这些故障点的设立可有效的保护各个整件，尤其是保障设备里行波管的正常运行，并把故障定位在可更换单元。所有的故障可通过单片机的中断口进入程序，以便能在最短的时间内作出响应，根据故障及时自动报警或断高压报警。

水冷系统故障：水冷系统用于冷却设备内的行波管，故障包括水泵过载、流量低、供液温度高、供液压力高、海水压力低、水箱缺水、水箱水位低和水电导率高及海水流量低，通过422串口进行故障通讯。

预热命令和高压命令输出：通过26LS31芯片进行422差分信号输出，可控制灯丝的预热及设备的高压开启。

3.2 参数处理的硬件设计

参数处理完成设备所有参数的整理，并对部分故障进行监测，将故障信息和状态信息进行液晶显示，产生最终的预热命令和高压命令。

通过26LS32芯片接收监控过来的RS422差分串口等信号;通过隔离运放接收电流、功率等参数信息，这些参数信息通过AD7890芯片进行AD转换。AD7890为8路模拟量输入，串行输出的AD转换芯片，输入范围广，可到10V，满足设备数据输入的要求;通过74LV04接收逆变控制等故障信息;通过26LS32芯片接收监控电路过来的预热、高压422差分命令并通过继电器转换成直流24V输出;通过电压转换芯片74LV164245输出液晶显示信号。

3.3 显示单元的硬件设计

显示单元主要器件是液晶屏，液晶显示屏主要显示设备的阴极高压、阴极电流、收集极电流、发射功率、灯丝电流等测量值及设备工作状态以及具体故障。液晶屏型号为320240L-A3，可显示汉字20行，每行15字。

4 软件设计

监控系统软件主要完成设备的开关机控制、故障检测、故障保护、状态上报、状态液晶显示等功能。开发软件采用Keil uVision4、ISE14.6，采用C语言和Verilog语言编写。

4.1监控电路软件设计

a.主程序：监控电路软件是软件的核心部分，完成如下功能：

1）对设备的开机和关机顺序进行程序化控制;

2）对设备的工作状态实行实时监视，对故障进行分类、判别锁定和执行处理;

3）上报设备当前状态信息;

4）接收并执行设备对监控系统的遥控命令。

我们规定设备的工作状态有四种，当设备刚通电时为低压状态，预热后为预热状态，预热完规定的时间后为待机状态，开高压后为高压状态。设定主程序循环1圈所需的时间为0.5s，这样通过计数可对预热时间进行控制。

b.水冷串口通讯程序：水冷系统与监控采用RS-422半双工串口通信。监控软件在FPGA里定时（1s）接收水冷信息。如果监控软件连续3次接收到水冷信息有故障，则认为水冷有真故障。

c.与设备终端的串口通讯程序：采用RS-422半双工串口通信。监控软件在单片机的串口中断里接收设备终端送来的开关机命令，判断命令内容并执行相应的操作。

4.2 参数处理软件设计

参数处理软件完成如下软件设计：

a.在单片机程序里对阴极电流、收集极电流、灯丝电流、发射功率、阴极高压的0V～10V电压进行AD转换，并对AD转换的数据进行滤波处理;

b.根据串口报文对设备的故障和状态信息进行液晶显示。

5结束语

综合以上的硬件和软件的设计，以及投产后调试运行的情况来看，该监控系统可靠性高、抗干扰性强，控制简单，合理，工作稳定可靠。

参考文献

[1]张培仁，孙力.  基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用 .清华大学出版社，2007

[2]蔡述庭，陈平，李嘉辉.  FPGA系统设计.机械工业出版社，2019