在國防裝備中高炮等重型武器的電源要依靠發電機組供電,而發電機組能否穩定正常運行關系到武器裝備能否正常、可靠地工作。因此必須對這些武器裝備的發電機組定期進行全面檢修，但由于裝備數量龐大，使得檢修的工作量也非常大。本文設計的電站運行參數記錄儀很好地解決了檢修工作量大、設備故障隱患難以排除的問題。記錄儀在電站運行時開始記錄柴油機的油壓、水溫、蓄電池電壓，發電機的電壓、電流、功率及系統的頻率等參數。這些參數每隔一段時間記錄到SD卡中一次。記錄儀在記錄運行參數的同時還記錄開、關機時間、電站總運行時間。實現了電站運行參數的自動測量與記錄，減少了電站檢修的工作量，能及時發現電站運行時的故障隱患，保障了電站平穩、可靠地運行。

1 系統結構
    本設計方案主要由信號采集、電源、微控制器及FAT32文件系統組成，系統結構如圖1所示。將采集到的電站運行參數等信息經過RS485接口傳送到主控電路，微控制器對該信息進行分析、匯總，以TXT文本的格式記錄到外部的存儲卡或者U盤中，通過USB數據線上傳到計算機，為設備的檢修提供依據。整個系統的電源采用內部充電電池，使用發動機蓄電池給內部電池充電。
2 硬件電路設計
2.1信號采集硬件電路
    油壓、水溫、發電機電壓、發電機電流、發電機功率、系統頻率等信號的采集主要由EP、TP表完成，經過采集后的信號存儲到EP、TP表內部的寄存器中，單片機通過RS485總線[1]與EP、TP表通信并從其寄存器中獲取上述參數。由于C8051F020單片機內部沒有集成RS485通信口，只有UART串口，因此使用75176芯片進行RS485與UART的轉換。轉換電路如圖2所示。

    柴油機轉速和蓄電池電壓的采集是直接由單片機完成的。圖1中TLP521部分為轉速信號處理電路，電站上柴油機的轉輪有許多均勻的鋸齒，利用磁電式齒輪傳感器，能檢測到每秒鐘經過傳感器的鋸齒個數，其輸出為正弦信號。再根據每轉上的鋸齒個數便能得到柴油機的轉速。由光電耦合器將正弦信號轉變為脈沖信號送給單片機系統。圖中二極管D1為轉速信號的負半周提供回路。C5和R11構成一個高通濾波器，濾除轉速信號中的低頻成分，避免其對三極管的靜態工作點產生影響。轉速脈沖信號從網絡標號為INT1端輸出到單片機的外部中斷引腳,當有轉速信號時，INT1端為高電平，否則為低電平。INT1上的下降沿觸發一次中斷，單片機則停止記錄信息，將系統切換到低功耗模式。圖3為蓄電池電壓采集電路，+12 V蓄電池電壓經過電阻分壓后送給單片機的A/D轉換輸入端。圖中的104電容可以濾除電壓信號上的尖峰干擾信號。

2.2 控制部分硬件電路設計
     本文采用C8051F020作為系統主控制器。C8051F020單片機是一款完全兼容51架構的混合信號片上系統級芯片，其內部集成了I2C、SPI、UART串口、12位A/D轉換器、PCA可編程計數陣列、4個可位尋址的I/O口、4個字節尋址的I/O口以及25 MPIS的最高速度。另外，C8051F020單片機提供了一個增強的定時器功能，可編程計數陣列（PCA）。PCA在頻率產生、頻率測量及脈寬測量等方面具有獨特的優勢[2]，可使C8051F020完全能勝任數據采集及FAT32文件系統操作。單片機外圍基本電路中的12腳VREF引腳為內部基準電壓輸出,基準電壓為2.4 V，該電壓經電容濾波后作為內部ADC轉換器的基準電壓輸入到引腳VREF0。22~25腳為12位A/D轉換的輸入引腳，分別連接4個二極管起到保護ADC轉換器的作用。當待轉換電壓信號高于3.3 V時,該信號經二極管回流到模擬3.3 V電源,避免轉換器由于高輸入電壓而損壞。28腳MONEN引腳接入電源VDD，使能內部電壓監測器。設計按鍵S1為系統校時按鍵,當按下按鍵時，系統時間將自動調整到當天的上午八點。
2.3 FAT32文件系統部分硬件電路設計[3]
    FAT32文件系統采用南京沁恒公司推出的文件系統芯片CH376S。CH376S既支持SD卡的文件系統操作，又支持U盤的文件系統操作，可以方便地實現數據SD卡存儲和U盤存儲間的轉換。CH376S 的SD卡電路如圖4所示。單片機將采集到的數據通過CH376S寫入到SD卡中長久保存。SD卡的數據由USB數據線傳輸到計算機中，此時只需加一片AU6331即可實現，而不需要經過單片機芯片。AU6331是一片專用的讀卡器芯片，支持SD卡、MMC卡等[4]。此外讀卡器和CH376之間的轉換采用2片多路轉換開關芯片MAX4674。MAX4674內部有4個二選一開關，專門用于信號切換。在3 V供電時期導通電阻為6 ?贅，不影響信號的傳輸。CH376S采用8位并口AD0-AD7與單片機進行通信。PCS引腳為片選引腳，低電平有效。INT引腳為CH376的中斷請求引腳，低電平有效。當INT引腳為低電平時，單片機可以讀取CH376的狀態碼。A0端為地址數據選擇端,用于告知CH376要進行數據操作或是指令操作[5]。

    CH376S的U盤操作接線圖與SD卡的接線圖大致相同，只是將SD卡座換成了U盤插口。但是SD卡只可以進行字節讀取，而U盤既可以進行字節讀取，又可以進行扇區讀取。因此，對U盤的讀寫速度要遠遠快于SD卡的讀寫。
2.4 電源部分硬件電路設計
    由于系統需要3.3 V和5 V兩種電壓，而外部蓄電池電壓為12 V，因此在電源的前級采用LM2575電源芯片產生5 V電壓。這是一款降壓型開關電源芯片，其輸入電壓范圍很寬,在穩定5 V輸出時,其輸入范圍為 8 V~55 V，因此可以將12 V的蓄電池電壓穩定到5 V。此外在外部蓄電池電壓為24 V時，LM2575仍能穩定輸出5 V，提高了系統的兼容性。另外,采用凌特公司生產的LTC3440電源芯片可產生3.3 V電壓,為單片機供電以及在外部蓄電池移除或蓄電池電壓不足時為USB主口供電。
3 系統程序流程圖
    整個系統設計主要包括CH376S文件系統程序設計和EP、TP表讀取程序設計[6]。記錄儀開始運行時，首先進行EP、TP表的掃描，確定設備地址和波特率。再測量是否有轉速信號，若沒有，單片機則直接進入休眠模式,否則采集轉速信息和蓄電池的電壓值， 存儲到SD卡中。 5 min后，單片機開始第二次信息采集。在此期間，單片機通過PCA捕捉中斷采樣是否有 U盤和USB數據線插入，從而控制多路開關進行SD卡的切換。程序流程如圖5所示。

4 測試結果
    應用本記錄儀對某電站的實際運行參數進行了測量，并將實驗結果以TXT文件的格式傳送到上位機或SD卡中，記錄數據如表1所示。
    為了更直觀地說明電站運行過程中的異常情況，本記錄儀還可以根據設定標準每兩個小時做一次電站狀態信息的總結，對應生成的總結文件如表2所示。總結文件中有開機、關機時間，其中0表示正常，1表示異常。

    本設計將電站運行信息以TXT文件格式進行存儲，降低了檢修工作量,實現了設備檢修的智能化。實測結果表明,本記錄儀工作正常，參數測量準確，在電站的運行維護方面具有很高的實用價值。另外，本設計的可擴展性強，在此設備FAT32文件系統的基礎上稍加改動即可成為一款記錄其他信息的記錄儀。
參考文獻
[1] 何瑾,劉杰,田明. C8051在水表計費系統中的應用[J].自動化儀表,2006,27(2):60-62.
[2] Cygnal Integrated Products.Inc.C8051F單片機應用解析[M].潘琢金，孫德龍，夏秀峰,譯.北京:北京航空航天大學出版社,2002.
[3] 王芳成,梁華為,郜文. 嵌入式系統中FAT32文件系統的實現[J].電子測量技術，2009,32(9):122-126.
[4] Alcor Micro Corp. AU6331 USB2.0 SD/MMC/MS Single/dual LUN card reader controller technical reference manual  [EB/OL].(2006-08)/[2012-07-22].http://www.soiseek.cn.
[5] 閻昭,劉淑霞,趙曉順,等. 基于USB接口的光照度記錄儀的設計[J].儀表技術與傳感器，2010(6):25-27.
[6] 李長有,武學東,孫步勝,等. 基于C8051F020的SD卡主控制器設計[J].微計算機信息,2007,23(9-2):120-122.