在国防装备中高炮等重型武器的电源要依靠发电机组供电,而发电机组能否稳定正常运行关系到武器装备能否正常、可靠地工作。因此必须对这些武器装备的发电机组定期进行全面检修，但由于装备数量庞大，使得检修的工作量也非常大。本文设计的电站运行参数记录仪很好地解决了检修工作量大、设备故障隐患难以排除的问题。记录仪在电站运行时开始记录柴油机的油压、水温、蓄电池电压，发电机的电压、电流、功率及系统的频率等参数。这些参数每隔一段时间记录到SD卡中一次。记录仪在记录运行参数的同时还记录开、关机时间、电站总运行时间。实现了电站运行参数的自动测量与记录，减少了电站检修的工作量，能及时发现电站运行时的故障隐患，保障了电站平稳、可靠地运行。

1 系统结构
本设计方案主要由信号采集、电源、微控制器及FAT32文件系统组成，系统结构如图1所示。将采集到的电站运行参数等信息经过RS485接口传送到主控电路，微控制器对该信息进行分析、汇总，以TXT文本的格式记录到外部的存储卡或者U盘中，通过USB数据线上传到计算机，为设备的检修提供依据。整个系统的电源采用内部充电电池，使用发动机蓄电池给内部电池充电。
2 硬件电路设计
2.1信号采集硬件电路
油压、水温、发电机电压、发电机电流、发电机功率、系统频率等信号的采集主要由EP、TP表完成，经过采集后的信号存储到EP、TP表内部的寄存器中，单片机通过RS485总线[1]与EP、TP表通信并从其寄存器中获取上述参数。由于C8051F020单片机内部没有集成RS485通信口，只有UART串口，因此使用75176芯片进行RS485与UART的转换。转换电路如图2所示。

柴油机转速和蓄电池电压的采集是直接由单片机完成的。图1中TLP521部分为转速信号处理电路，电站上柴油机的转轮有许多均匀的锯齿，利用磁电式齿轮传感器，能检测到每秒钟经过传感器的锯齿个数，其输出为正弦信号。再根据每转上的锯齿个数便能得到柴油机的转速。由光电耦合器将正弦信号转变为脉冲信号送给单片机系统。图中二极管D1为转速信号的负半周提供回路。C5和R11构成一个高通滤波器，滤除转速信号中的低频成分，避免其对三极管的静态工作点产生影响。转速脉冲信号从网络标号为INT1端输出到单片机的外部中断引脚,当有转速信号时，INT1端为高电平，否则为低电平。INT1上的下降沿触发一次中断，单片机则停止记录信息，将系统切换到低功耗模式。图3为蓄电池电压采集电路，+12 V蓄电池电压经过电阻分压后送给单片机的A/D转换输入端。图中的104电容可以滤除电压信号上的尖峰干扰信号。

2.2 控制部分硬件电路设计
本文采用C8051F020作为系统主控制器。C8051F020单片机是一款完全兼容51架构的混合信号片上系统级芯片，其内部集成了I2C、SPI、UART串口、12位A/D转换器、PCA可编程计数阵列、4个可位寻址的I/O口、4个字节寻址的I/O口以及25 MPIS的最高速度。另外，C8051F020单片机提供了一个增强的定时器功能，可编程计数阵列（PCA）。PCA在频率产生、频率测量及脉宽测量等方面具有独特的优势[2]，可使C8051F020完全能胜任数据采集及FAT32文件系统操作。单片机外围基本电路中的12脚VREF引脚为内部基准电压输出,基准电压为2.4 V，该电压经电容滤波后作为内部ADC转换器的基准电压输入到引脚VREF0。22~25脚为12位A/D转换的输入引脚，分别连接4个二极管起到保护ADC转换器的作用。当待转换电压信号高于3.3 V时,该信号经二极管回流到模拟3.3 V电源,避免转换器由于高输入电压而损坏。28脚MONEN引脚接入电源VDD，使能内部电压监测器。设计按键S1为系统校时按键,当按下按键时，系统时间将自动调整到当天的上午八点。
2.3 FAT32文件系统部分硬件电路设计[3]
FAT32文件系统采用南京沁恒公司推出的文件系统芯片CH376S。CH376S既支持SD卡的文件系统操作，又支持U盘的文件系统操作，可以方便地实现数据SD卡存储和U盘存储间的转换。CH376S 的SD卡电路如图4所示。单片机将采集到的数据通过CH376S写入到SD卡中长久保存。SD卡的数据由USB数据线传输到计算机中，此时只需加一片AU6331即可实现，而不需要经过单片机芯片。AU6331是一片专用的读卡器芯片，支持SD卡、MMC卡等[4]。此外读卡器和CH376之间的转换采用2片多路转换开关芯片MAX4674。MAX4674内部有4个二选一开关，专门用于信号切换。在3 V供电时期导通电阻为6 ?赘，不影响信号的传输。CH376S采用8位并口AD0-AD7与单片机进行通信。PCS引脚为片选引脚，低电平有效。INT引脚为CH376的中断请求引脚，低电平有效。当INT引脚为低电平时，单片机可以读取CH376的状态码。A0端为地址数据选择端,用于告知CH376要进行数据操作或是指令操作[5]。

CH376S的U盘操作接线图与SD卡的接线图大致相同，只是将SD卡座换成了U盘插口。但是SD卡只可以进行字节读取，而U盘既可以进行字节读取，又可以进行扇区读取。因此，对U盘的读写速度要远远快于SD卡的读写。
2.4 电源部分硬件电路设计
由于系统需要3.3 V和5 V两种电压，而外部蓄电池电压为12 V，因此在电源的前级采用LM2575电源芯片产生5 V电压。这是一款降压型开关电源芯片，其输入电压范围很宽,在稳定5 V输出时,其输入范围为 8 V~55 V，因此可以将12 V的蓄电池电压稳定到5 V。此外在外部蓄电池电压为24 V时，LM2575仍能稳定输出5 V，提高了系统的兼容性。另外,采用凌特公司生产的LTC3440电源芯片可产生3.3 V电压,为单片机供电以及在外部蓄电池移除或蓄电池电压不足时为USB主口供电。
3 系统程序流程图
整个系统设计主要包括CH376S文件系统程序设计和EP、TP表读取程序设计[6]。记录仪开始运行时，首先进行EP、TP表的扫描，确定设备地址和波特率。再测量是否有转速信号，若没有，单片机则直接进入休眠模式,否则采集转速信息和蓄电池的电压值， 存储到SD卡中。 5 min后，单片机开始第二次信息采集。在此期间，单片机通过PCA捕捉中断采样是否有 U盘和USB数据线插入，从而控制多路开关进行SD卡的切换。程序流程如图5所示。

4 测试结果
应用本记录仪对某电站的实际运行参数进行了测量，并将实验结果以TXT文件的格式传送到上位机或SD卡中，记录数据如表1所示。
为了更直观地说明电站运行过程中的异常情况，本记录仪还可以根据设定标准每两个小时做一次电站状态信息的总结，对应生成的总结文件如表2所示。总结文件中有开机、关机时间，其中0表示正常，1表示异常。

本设计将电站运行信息以TXT文件格式进行存储，降低了检修工作量,实现了设备检修的智能化。实测结果表明,本记录仪工作正常，参数测量准确，在电站的运行维护方面具有很高的实用价值。另外，本设计的可扩展性强，在此设备FAT32文件系统的基础上稍加改动即可成为一款记录其他信息的记录仪。
参考文献
[1] 何瑾,刘杰,田明. C8051在水表计费系统中的应用[J].自动化仪表,2006,27(2):60-62.
[2] Cygnal Integrated Products.Inc.C8051F单片机应用解析[M].潘琢金，孙德龙，夏秀峰,译.北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[3] 王芳成,梁华为,郜文. 嵌入式系统中FAT32文件系统的实现[J].电子测量技术，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] 阎昭,刘淑霞,赵晓顺,等. 基于USB接口的光照度记录仪的设计[J].仪表技术与传感器，2010(6):25-27.
[6] 李长有,武学东,孙步胜,等. 基于C8051F020的SD卡主控制器设计[J].微计算机信息,2007,23(9-2):120-122.