基于MCU的智能化在線UPS的設(shè)計(jì)

概括說來，現(xiàn)代UPS的發(fā)展方向是高頻化，小型化和智能化，近年來，科華公司采用最先進(jìn)的電力電子器件和國際流行的PFC及高頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中小功率UPS高頻化和小型化的目標(biāo)。隨后使用MCU（單片機(jī)）開發(fā)一系列新產(chǎn)品，使UPS實(shí)現(xiàn)智能化，即電池管理的智能化，人機(jī)界面的智能化（遠(yuǎn)程LCD面板），UPS管理網(wǎng)絡(luò)化，包括POWERSOFT電源監(jiān)控軟件和UNMS-1 UPS網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目）。

　　對(duì)UPS制造商而言，實(shí)現(xiàn)UPS智能化可以大幅度提高生產(chǎn)效率。比如，以往UPS調(diào)試時(shí)需要調(diào)節(jié)許多電位器和測量多個(gè)工作點(diǎn)電壓和頻率，而采用智能化設(shè)計(jì)后，只需調(diào)節(jié)少許電位器，其他參數(shù)則通過UPS調(diào)試軟件界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，由于采用數(shù)字處理技術(shù)，不存在原來模擬電路的易受環(huán)境影響產(chǎn)生的工作點(diǎn)漂移，不存在產(chǎn)品的分散性，即成批產(chǎn)品的一致性很好。

　　采用MCU設(shè)計(jì)，以軟件代替硬件，電路板的面積和功耗明顯的小了，這樣對(duì)系統(tǒng)可靠性無疑是有好處的。同時(shí)，由于現(xiàn)代的MCU的程序存儲(chǔ)器均有加密技術(shù)，可以防止非法拷貝，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。另外，如果UPS的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)完善，其故障自檢功能較強(qiáng)，則可以為安裝維護(hù)人員提供方便，節(jié)省費(fèi)用和工時(shí)。以下為針對(duì)在線式智能UPS的幾個(gè)設(shè)計(jì)方案。

　　1. 基于傳統(tǒng)UPS主控制板的原理

　　由PLD+MCU實(shí)現(xiàn)原模擬電路實(shí)現(xiàn)的功能，輸出電壓動(dòng)態(tài)反饋和I/O相位同步部分將沿用原成熟線路，在基準(zhǔn)正弦波合成方面將用一只廉價(jià)的PLD器件代換原來由多個(gè)計(jì)數(shù)器、加法器等的實(shí)現(xiàn)功能。MCU控制系統(tǒng)可以采用廉價(jià)的ATMEL89C52和一只10位11路A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC1543及一片XICOR公司的監(jiān)控+串行EEPROM 芯片X25045組成，可以實(shí)現(xiàn)完成輸出電壓的調(diào)整、電池的智能管理、重要器件的在線檢測。但是不參與同步控制，在與上位機(jī)的通信及生產(chǎn)調(diào)試和面板功能方面MCU實(shí)現(xiàn)將比原來設(shè)計(jì)成本低、功能強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)該方案可以在較少的時(shí)間完成。

　　2. 基于單芯片的實(shí)現(xiàn)方案

　　由一塊功能強(qiáng)大的MCU完成人機(jī)界面、通信、輸入輸出同步、輸出電壓PID調(diào)節(jié)、各種故障判斷和自診斷功能，該實(shí)現(xiàn)方案可以采用引腳多的Intel 87C196MC或Motorola MC68HC11K4,但是該方案成本較高；開發(fā)難度和測試工作量大，如果要幾個(gè)工程師并行開發(fā)，要求項(xiàng)目系統(tǒng)分析員分析能力較強(qiáng)，項(xiàng)目經(jīng)理能協(xié)調(diào)各個(gè)項(xiàng)目組員無縫協(xié)作，軟件代碼結(jié)構(gòu)化要求高。這種方案實(shí)現(xiàn)后可節(jié)省電路面積、采購及生產(chǎn)很方便。

　　3. 基于雙MCU的實(shí)現(xiàn)方案

　　作者認(rèn)為此方案最適合目前我國工程師的開發(fā)水平，系統(tǒng)具有最大的靈活性和成本的最小化。 基本想法是由1只管理MCU（mMCU）和一只控制MCU（cMCU）組成。其中mMCU負(fù)責(zé)人機(jī)界面（面板、通信、調(diào)試、故障診斷），要求芯片為FLASH（閃存）形式，單片機(jī)系統(tǒng)可以用C語言寫代碼，具備電壓監(jiān)控和復(fù)位功能。這款芯片使用Atmel或Philips的89C5X系列（成本為每只低于20元），80C51系列MCU已是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)工具及參考資料國內(nèi)都非常完善，可以由一般的MCU設(shè)計(jì)人員完成。如果UPS用戶提出一些特殊要求，如開關(guān)機(jī)時(shí)序或故障告警特定提示，可以通過ISP方法來解決，軟件更改升級(jí)非常方便。

　　cMCU則負(fù)責(zé)UPS的I/O同步、逆變器驅(qū)動(dòng)、輸出電壓穩(wěn)壓PID調(diào)節(jié)、過流保護(hù)、實(shí)時(shí)采樣和整流器驅(qū)動(dòng)等實(shí)時(shí)控制。在實(shí)驗(yàn)做過后可將MCU掩膜，以降低芯片成本，以后的設(shè)計(jì)可以將其嵌入任何UPS,作為標(biāo)準(zhǔn)模塊使用。這項(xiàng)工作應(yīng)由專業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師完成，其難度大，要求高。

　　由于UPS自身情況（不斷電）比較特殊，cMCU不能使用WDT（看門狗監(jiān)控電路），而mMCU不涉及實(shí)時(shí)控制，芯片受干擾程序出錯(cuò)后，可以利用WDT或非法指令或非法地址復(fù)位來得到解決。它能監(jiān)督cMCU的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)控制異常，可以馬上對(duì)系統(tǒng)作補(bǔ)救措施，防止造成惡果。

　　2芯片方案可以為控制系統(tǒng)分散風(fēng)險(xiǎn)。我們可以選擇容量小、速度快的廉價(jià)MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)，估計(jì)可以選到價(jià)格小于30元的芯片。 以上分析表明，采用第3種方案設(shè)計(jì)UPS將是適合國內(nèi)廠商的最合理方法，無論從原材料成本，開發(fā)難度，軟件升級(jí)方便性和系統(tǒng)可靠性方面都優(yōu)于另外2種方案。對(duì)于其他行業(yè)，如果設(shè)備同時(shí)涉及實(shí)時(shí)控制和非實(shí)時(shí)管理，則采用雙芯片或多芯片方案（芯片間通過CAN總線或SPI或較慢的RS485總線通信）不失為一種可取的方案。