大功率開關(guān)電源系統(tǒng)通信模塊設(shè)計

2002年11月A版

摘    要: 介紹了一種多臺大功率開關(guān)電源裝置與計算機通信的實現(xiàn)方案，并采用了RS-232C和RS-485雙串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口，實現(xiàn)了計算機可以實時采樣和設(shè)置電源輸出電壓、輸出電流和各個開關(guān)量的狀態(tài)。
關(guān)鍵詞: 通信；監(jiān)測；大功率開關(guān)電源

引言
近年來，開關(guān)電源的技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，對開關(guān)電源的智能化要求也越來越高。電源監(jiān)控系統(tǒng)作為實現(xiàn)電源系統(tǒng)智能化要求的一部分，也越來越得到廣泛的應(yīng)用。電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是通過電源與計算機的通信模塊完成與監(jiān)控中心的信息交換，接收監(jiān)控中心的各種監(jiān)測與遙控命令，并將電源的各種狀態(tài)信息反饋給監(jiān)控中心。本文所介紹的通信模塊實際中用于筆者所研制的多臺12V，5000A電鍍用開關(guān)電源與計算機的通信，實現(xiàn)了對多臺電鍍電源的遠程集中控制。該通信模塊與計算機通信的主要特點是實現(xiàn)了計算機與電源的主從總線1：N通信方式，并且采用了RS-232C和RS-485雙串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口。


圖1 通信模塊電路結(jié)構(gòu)圖


圖2  主從總線1：N通信方式示意圖


圖3  請求命令包格式

通信模塊電路設(shè)計
該通信模塊采用的控制芯片是MCS-51系列單片機80C52，通信模塊電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。計算機通過該通信模塊完成與電源間的通信，可以實時讀取電源的輸出電壓、輸出電流值以及輸出過壓、輸入過壓、輸入欠壓、過流、過溫、運行/停止等8路開關(guān)量的狀態(tài)值，并可以在輸出值允許的范圍內(nèi)任意設(shè)置電源的輸出電壓、輸出電流值和復(fù)位、合閘、分閘、機控/本控4路開關(guān)量的狀態(tài)值。從通信模塊電路結(jié)構(gòu)框圖可以看出，如果計算機需要讀取電源模塊的輸出電壓、輸出電流值和開關(guān)量的狀態(tài)時，單片機收到請求命令后啟動A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX182對電源的輸出電壓、輸出電流兩路模擬量進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機進行數(shù)據(jù)處理。同時表征電源運行狀態(tài)的8路開關(guān)量從雙總線收發(fā)器74LS245讀入送至單片機寄存器存貯。單片機將所有處理后的數(shù)據(jù)按預(yù)定數(shù)據(jù)傳送格式發(fā)送給計算機輸出顯示。計算機需要設(shè)置電源的輸出電壓、輸出電流值和4路開關(guān)量的狀態(tài)時，計算機將設(shè)置好的數(shù)據(jù)按預(yù)定格式發(fā)送給單片機。單片機接收處理后啟動D/A轉(zhuǎn)換芯片MAX532和輸出鎖存器74LS573將處理后的輸出電壓、輸出電流值和開關(guān)量狀態(tài)值輸出給電源。通信模塊從而實現(xiàn)了計算機對電源的實時監(jiān)測和遙控。為了保證設(shè)計人員的安全和防止通信模塊受電源影響而損壞，電源與通信模塊之間的信號傳遞均通過光耦隔離。
為了確保電源與計算機在不同應(yīng)用場合的準(zhǔn)確通信，該通信模塊采用了RS-232C和RS-485雙串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口。RS-232C適于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場合，其邏輯電平對地是對稱的，與TTL、MOS邏輯電平完全不同。邏輯0電平規(guī)定為+5V~＋15V之間，邏輯1電平為－5V~－15V之間，模塊中采用了MAX232驅(qū)動芯片進行電平轉(zhuǎn)換。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口的主要缺點是數(shù)據(jù)傳輸速率慢、傳送距離短，抗干擾能力差。模塊配備RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口使得任何含有串行通信口的計算機均可以實現(xiàn)和電源的通信,具有廣泛的適應(yīng)性。RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口為差分驅(qū)動結(jié)構(gòu)，它通過傳輸線驅(qū)動器把邏輯電平變換為電位差，完成信號的傳遞。RS-485具有傳輸速率快、傳送距離長、抗干擾能力強等優(yōu)點，模塊中采用了MAX485驅(qū)動芯片進行電平轉(zhuǎn)換。MAX485輸出的差分信號需經(jīng)RS-232與RS-485轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后才能送至計算機，所以所有使用RS-485與電源進行通信的計算機必須安裝232/485轉(zhuǎn)換接口卡。本模塊配備的RS-485通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口使得通信模塊可以適用于環(huán)境干擾比較大的工業(yè)現(xiàn)場的長距離通信。


圖4  通信模塊程序框圖

主從總線1:N通信方式
要實現(xiàn)計算機與電源間的正常通信，必須制定正確的通信協(xié)議。該模塊設(shè)定的通信協(xié)議優(yōu)點是實現(xiàn)了一臺計算機可以同時監(jiān)控多臺電源的主從總線1:N通信方式。在總線結(jié)構(gòu)上有一個主站、即計算機，N個電源做為總線結(jié)構(gòu)上的從站。
主從總線1:N通信方式可以采用多種通信協(xié)議實現(xiàn)總線使用權(quán)的分配，本系統(tǒng)使用地址查詢方式，主從總線1:N通信方式示意圖如圖2所示。系統(tǒng)給每個電源分配唯一的一個地址號，計算機分配一個固定的地址號。當(dāng)計算機需要和某臺電源建立通信時，計算機發(fā)出一個含有該電源地址號的請求命令包。掛在總線上的所有電源一直處于等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，計算機所發(fā)出的請求命令包將被所有的電源所接收。每個電源將接收到的請求命令包中所包含的電源地址號與本模塊的地址號相比較，只有地址號與計算機所發(fā)出的請求命令包中所包含的地址號相同的電源才與計算機建立通信，響應(yīng)計算機所發(fā)出的請求命令。其它地址號不相同的電源將拒絕響應(yīng)計算機的請求命令，繼續(xù)保持接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，等待響應(yīng)計算機發(fā)出的下一個請求命令包。系統(tǒng)中的這種地址查詢方式實現(xiàn)了任何時候總線上最多只有一臺電源與計算機通信，其它電源處于等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而有效的避免了總線使用權(quán)的沖突。
計算機請求命令包格式如圖3所示，該命令包采用的是異步通訊格式。4個字節(jié)的起始符和結(jié)束符分別用來表征命令包的開始和結(jié)束，目的站地址就是計算機所希望建立通信的電源地址號，源地址是計算機地址號。命令碼是計算機對電源所發(fā)出的命令信息，用來表征計算機發(fā)出的命令是希望讀取電源的輸出電壓、輸出電流值以及開關(guān)量的狀態(tài)值還是希望設(shè)置電源的輸出電壓、輸出電流值以及開關(guān)量的狀態(tài)值。校驗碼和信息長度是用來檢驗數(shù)據(jù)傳輸是否正確、有無數(shù)據(jù)丟失的信息量。數(shù)據(jù)信息是命令包的主要部分，包含命令包所要傳送的輸出電壓、輸出電流值和開關(guān)量的狀態(tài)值等數(shù)據(jù)信息（僅設(shè)置電源狀態(tài)命令包含有此項，讀取電源狀態(tài)命令包不含此項）。當(dāng)電源接收到計算機發(fā)出的請求命令包后，執(zhí)行完計算機命令的相關(guān)操作后必須返回計算機一個應(yīng)答數(shù)據(jù)包。電源響應(yīng)計算機的應(yīng)答數(shù)據(jù)包也采用相同的數(shù)據(jù)包格式，只不過目的站地址和源站地址分別為計算機地址號和電源自身的地址號。

軟件設(shè)計
該通信模塊采用的控制芯片是MCS-51系列單片機80C52，采用匯編語言對單片機進行程序設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和與計算機通信等功能。
軟件設(shè)計采用中斷查詢方式。程序在執(zhí)行過程中由于外界的隨機原因而被中間打斷的情況即稱為“中斷”。通信模塊在未與計算機建立通信之前，主程序處于等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，不斷查詢外部串行口中斷。一旦計算機發(fā)出請求命令包，所有通信模塊接收到數(shù)據(jù)包后均進入串行口中斷程序進行判斷識別，只有地址號與數(shù)據(jù)包中所包含的目的站地址相同的電源才與計算機建立通信關(guān)系并解讀請求命令數(shù)據(jù)包，根據(jù)命令產(chǎn)生相應(yīng)的啟動A/D、D/A或讀取開關(guān)量、設(shè)置開關(guān)量等操作，并返回與請求命令數(shù)據(jù)包格式相同的響應(yīng)數(shù)據(jù)包給計算機。通信模塊程序框圖如圖4所示。

結(jié)語
本通信模塊已經(jīng)安裝于筆者自行研制的多臺12V,5000A電鍍用開關(guān)電源中，通過在現(xiàn)場與計算機的通信試驗，實際監(jiān)測和設(shè)置的各項參數(shù)均達到了設(shè)計指標(biāo)，達到了集中監(jiān)控和遙測多臺電源的預(yù)定要求，運行情況良好，具有推廣應(yīng)用價值?！?

參考文獻
1. 侯永濤、王殿魁，‘電源監(jiān)控系統(tǒng)對智能電源設(shè)備基本要求的探討’，郵電設(shè)計技術(shù)，1999.7.
2 . 邱公偉，‘可編程控制器網(wǎng)絡(luò)通信及其應(yīng)用’，清華大學(xué)出版社.

本文2002年7月15日收到。熊慧洪：碩士研究生，研究方向UPS;姜桂賓：博士生，研究方向高精度開關(guān)電源；裴云慶：博士，研究方向電力電子及器件仿真；王非安：教授，博導(dǎo)，研究方向電力電子。