一種智能高頻開關(guān)電源監(jiān)控模塊的設(shè)計

一種智能高頻開關(guān)電源監(jiān)控模塊的設(shè)計

? 自90年代以來，國家電信部門對通信設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理要求逐步加快，要求組成通信網(wǎng)絡(luò)的各種設(shè)備都必須具備智能化和通信的能力，電源設(shè)備也不例外[1]。計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使通信電源成為集計算技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，使產(chǎn)品的性能、功能大大提高，從而可實現(xiàn)系統(tǒng)的自動測試、自動診斷、自動控制，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的遙信、遙測、遙控[2]。因此，高頻開關(guān)電源也進(jìn)入了智能化控制階段。本文設(shè)計實現(xiàn)了一種智能高頻開關(guān)電源的的監(jiān)控模塊。
????????????
??????????? 1、高頻開關(guān)電源的原理及其特點
???????????????
??????????? 智能化高頻開關(guān)電源具有高度靈活組合、自主監(jiān)控的特點，尤其是在通信領(lǐng)域，因其具有體積小、噪聲低、維護(hù)方便又可被納入通信系統(tǒng)的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等特點，所以運用十分廣泛。高頻開關(guān)電源的電路原理框圖如圖1所示，它主要由交流配電、整流模塊、直流配電模塊、充電模塊、主監(jiān)控模塊及相關(guān)電路組成，其中充電模塊和主監(jiān)控模塊具有內(nèi)置微處理器。此高頻開關(guān)電源是將220V（或380V）交流電變換成穩(wěn)定可靠的48V或24V直流電給負(fù)載（如程控交換機(jī)、光端機(jī)等）供電，并給蓄電池組浮充或均衡充電。當(dāng)交流電源輸入中斷后，由蓄電池組通過該系統(tǒng)向負(fù)載供電，以保證對負(fù)荷連續(xù)不間斷供電。當(dāng)交流電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動對蓄電池組進(jìn)行均充電，對蓄電池大量放電后進(jìn)行電能的快速補充。

????????????

??????????? 圖1 高頻開關(guān)電源組成框圖
??????????? 該電源有以下特點：
??????????? ●交流輸入電壓適應(yīng)范圍寬：三相380±30%（266～494V）,單相220±30%（154～286V）；
??????????? ●采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，使功率因數(shù)≧0.99，整機(jī)效率高；
??????????? ●采用PWM邊沿諧振技術(shù)，一方面減少了開關(guān)器件在高頻開關(guān)過程中的功率損耗，提高了整機(jī)效率，使整機(jī)效率高達(dá)90%以上，另一方面減少了電磁干擾，可將電源系統(tǒng)安裝在程控機(jī)房內(nèi)；

??????????? ●系統(tǒng)采用微機(jī)控制、漢字顯示、鍵盤操作，便于掌握使用，極大地方便了用戶。

??????????? 2、智能化高頻開關(guān)電源主監(jiān)控模塊構(gòu)成
???????????????
??????????? 由于要求這種電源系統(tǒng)具有極高的可靠性，因此能否有效地對它的運行工況進(jìn)行監(jiān)視和控制就非常重要。系統(tǒng)主監(jiān)控模塊作為一個獨立的模塊，可以監(jiān)控整個電源系統(tǒng)各單元的運行狀況，具有對系統(tǒng)的運行參數(shù)進(jìn)行采集、顯示及設(shè)置的功能。它也可以與外部計算機(jī)（一般用PC機(jī)即可）進(jìn)行接口通信，構(gòu)成本地或遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)與外部計算機(jī)接口通信時，主監(jiān)控模塊稱為下位機(jī)，外部計算機(jī)稱為上位機(jī)。因此，主監(jiān)控模塊還要能不斷接受上位機(jī)送來的命令，并根據(jù)命令對電源系統(tǒng)進(jìn)行操作或?qū)㈦娫聪到y(tǒng)各單元的運行狀態(tài)及參數(shù)反送給上位機(jī)，控制各模塊的投入和退出，完成人機(jī)對話，實現(xiàn)與外部計算機(jī)或遠(yuǎn)端主機(jī)的通信。

??????????? 2.1 監(jiān)控模塊的工作原理及組成
???????????????
??????????? 圖2為主監(jiān)控模塊的組成框圖[4]。系統(tǒng)主監(jiān)控模塊作為一個獨立的模塊，可監(jiān)控整個電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制各模塊的投入和退出，完成人機(jī)對話。模塊由AT89C52單片機(jī)、交直流配電參數(shù)采集單元、顯示與操作單元及串行口通信單元組成。監(jiān)控模塊與整流模塊通過RS-485串行通信交換信息，這樣可使監(jiān)控模塊的硬件設(shè)計不受所監(jiān)控的整流模塊數(shù)限制，使得系統(tǒng)內(nèi)電源模塊數(shù)目可任意擴(kuò)充。與上位計算機(jī)也采用串行通信方式，串行口通過8250芯片擴(kuò)展而成，對于本地集中監(jiān)控，可使用RS-485串行口，對于遠(yuǎn)地監(jiān)控，可使用RS-232串行口，并通過調(diào)制解調(diào)器（MODEM）及電話線路進(jìn)行通信。系統(tǒng)采用大屏幕LCD和鍵盤實現(xiàn)本地的人機(jī)交互操作。主監(jiān)控模塊檢測直流母線電壓、電流，當(dāng)電壓或電流大于上限設(shè)定值時，便命令整流模塊降壓限流，并根據(jù)各整流模塊的工作情況，決定每個模塊的退出和投入，從而使整個電源系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的狀態(tài)下。此外，主監(jiān)控系統(tǒng)還對電網(wǎng)電壓的波動進(jìn)行檢測，同時發(fā)出報警信號，并記錄故障信息。

????????????

??????????? 圖2 監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖
???????????????
??????????? 交流檢測單元主要由三相交流電壓檢測板、三相顯示板等組成。三相交流電壓檢測板安裝在機(jī)柜內(nèi)上部交流配電部位。其功能是將隔離后的市電信號送控制器，由控制器對市電參數(shù)進(jìn)行檢測，判斷輸入的交流電是否“超限”或“缺相”，當(dāng)“超限”或“缺相”時，由控制器發(fā)出告警。轉(zhuǎn)接單元將控制器發(fā)出的控制整流器輸出電壓高低的頻率信號送各整流器，將檢測到的各整流器的信號送控制器。這些信號包括：控制整流器輸出電壓高低的頻率信號、均流總線的電壓信號、各整流器的電流信號、整流器的告警信號。直流檢測單元主要包括電池電流檢測板和電池保護(hù)板。檢測負(fù)載分路直流斷路器是否斷開，檢測電池分路熔斷器是否斷開，檢測電池分路電流并送控制器。控制器將交流檢測單元、轉(zhuǎn)接單元、直流檢測單元送來的信號進(jìn)行檢測、顯示、告警；控制整流器的工作狀態(tài)。通過鍵盤實施狀態(tài)查詢、系統(tǒng)操作、參數(shù)設(shè)置。

??? 2.2 控制器的主要功能
??????????? 檢測：系統(tǒng)交流供電、電池狀態(tài)、整流器狀態(tài)、電池電流、主分路電流及故障內(nèi)容；
??????????? 控制：系統(tǒng)開機(jī)/關(guān)機(jī)、均充開/關(guān)、整流器開機(jī)/關(guān)機(jī)、電池試驗開/關(guān)；
??????????? 參數(shù)設(shè)置：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，整流器柜數(shù)；
??????????? 電池參數(shù)：均充電壓、浮充電壓、過壓值、欠壓值、充電限流值、轉(zhuǎn)換電流等；
??????????? 監(jiān)控參數(shù)：設(shè)備編號、通訊接口、撥號方式、電話號碼及故障回報開/關(guān)等；
??????????? 通信：通過接口實現(xiàn)三遙，通過故障接口將系統(tǒng)告警信號輸出至系統(tǒng)故障監(jiān)視器。
??????????? 3、監(jiān)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
??????????? 3.1 實現(xiàn)的功能
???????????????
??????????? 本系統(tǒng)采用集中管理、獨立控制的模式，各模塊的單片機(jī)都有自己獨立的控制程序及與監(jiān)控模塊的通信程序。當(dāng)個別模塊出現(xiàn)故障時，不會影響整機(jī)運行。主監(jiān)控模塊軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各種功能都由相應(yīng)的中斷子程序完成。監(jiān)控模塊的軟件主要完成以下功能：

??????????? （1） 接收各模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)；
??????????? （2） 向各模塊發(fā)送控制命令；
??????????? （3） 人機(jī)交互接口。
??????????????? 監(jiān)控模塊中的主控單片機(jī)為主機(jī)，整流模塊的單片機(jī)為從機(jī)，相互間采用N、8、1 的10
??????????? 位異步通信格式，波特率為4800B。從機(jī)發(fā)向主機(jī)的數(shù)據(jù)需在主機(jī)發(fā)出允許命令后才可發(fā)出，即被地址碼選中的模塊，才有權(quán)向監(jiān)控模塊發(fā)出數(shù)據(jù)。
??????????? 3.2 主監(jiān)控程序
???????????????
??????????? 主監(jiān)控軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計、各種功能都由相應(yīng)的中斷子程序完成。圖3所示為主程序流程圖。系統(tǒng)的初始化包括MCU內(nèi)部控制寄存器的初始化，寄存器區(qū)及數(shù)據(jù)區(qū)的初始化等。自檢包括RAM自檢及控制系統(tǒng)各傳感器自檢。自檢通過后，開放中斷及PTS，并調(diào)用顯示初始化子程序。顯示系統(tǒng)主菜單可用鍵盤選擇各子菜單，包括運行參數(shù)菜單、狀態(tài)菜單、故障記錄菜單及參數(shù)設(shè)置菜單等。為確保運行安全，參數(shù)設(shè)置菜單僅供授權(quán)的管理維護(hù)人員使用，需輸入密碼才可進(jìn)行操作。

????????????

??????????? 圖3 主程序
???????????????
??????????? 本監(jiān)控系統(tǒng)采用8×4漢字顯示，考慮到監(jiān)控的參數(shù)眾多，一屏無法全部顯示，故采用菜單式操作方法，即選擇顯示屏顯示的菜單信息，在告警模塊面板的鍵盤按下合適的功能按鍵，系統(tǒng)的微處理器根據(jù)按鍵送來的信息作出反應(yīng)，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。故按鍵有數(shù)字鍵及功能鍵。程序采用樹狀分支結(jié)構(gòu)，如圖4鍵盤程序流程圖所示。

????????????

??????????? 圖4 鍵盤程序流程圖
???????????????
??????????? 監(jiān)控軟件的核心部分是串口接收中斷子程序。該子程序要完成串口通信、數(shù)據(jù)接收與校驗、格式轉(zhuǎn)換、存取、控制等。?

由于監(jiān)控的數(shù)據(jù)量較大，對每類數(shù)據(jù)都要有固定格式，采取檢錯重發(fā)機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的正確性。數(shù)據(jù)處理子程序主要是完成A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)比較判斷，數(shù)字信號輸出反饋控制、清中斷等。圖5是串口接收中斷子程序流圖。

????????????

??????????? 圖5 串口接收中斷子程序流程圖
??????????? 4、系統(tǒng)抗干擾措施
???????????????
??????????? 監(jiān)控模塊的性能直接影響整個開關(guān)電源的工作，如果抗干擾措施設(shè)計考慮不全，一旦干擾竄入監(jiān)控模塊，引發(fā)誤測、誤報，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。本系統(tǒng)在設(shè)計中采取了硬件抗干擾和軟件抗干擾相結(jié)合的辦法。

??????????? 4.1 硬件抗干擾措施
???????????????
??????????? 為了提高模擬量的輸入阻抗，減少損耗，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前加入一級電壓跟隨器，將檢測的信號電壓轉(zhuǎn)換成電流后，再并一電阻恢復(fù)成電壓信號，使用高精度的12位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109。為消除數(shù)字量的雜波干擾，電路中加入10uF的濾波電容組。整個系統(tǒng)在完成與計算機(jī)的串口通信時，采用6N136進(jìn)行隔離。采用MAX706組成的看門狗電路，提高M(jìn)CU的抗干擾措施。

??????????? 4.2 軟件抗干擾措施
???????????????
??????????? 主要采用數(shù)字濾波和數(shù)字調(diào)零技術(shù)，消除開關(guān)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路的偏差，對信號進(jìn)行平滑處理，消除減少干擾。對各類數(shù)據(jù)規(guī)定格式，采取校驗、檢錯重發(fā)機(jī)制，提高可靠性。大量采用冗余指令，提高軟件執(zhí)行的可靠性。

??????????? 5、結(jié)束語
???????????????
??????????? 智能高頻開關(guān)電源與電池配接后組成不間斷供電系統(tǒng)，可廣泛用于郵電通信、水利電力、公安、鐵路、計算中心等需要大功率直流電源的場所。采用本文監(jiān)控模塊的開關(guān)電源，通過運行試驗，能實現(xiàn)“三遙”等功能，維護(hù)方便，可靠性高，工作正常，各項指標(biāo)均能滿足要求。