通信電源監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1 引言
通信電源通常被稱為通信系統(tǒng)的心臟，其工作不正常，將會(huì)造成通信系統(tǒng)故障，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。美國(guó)APC公司的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果表明，大約有75%以上的通信系統(tǒng)故障都是由于電源設(shè)備故障或者是電源設(shè)備不符和技術(shù)條件而引起的。同時(shí)隨著通信電源向小型化、模塊化發(fā)展、供電方式由集中供電向分散供電轉(zhuǎn)變，以往的人工監(jiān)控模式難以適應(yīng)，從而使得可靠性更加難以保障。為此，我們研制了一套本地用通信電源監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化、通用化設(shè)計(jì)，從而具有較高商業(yè)價(jià)值和研究意義。
根據(jù)《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中的定義，通信電源監(jiān)控系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的基本功能有：一是對(duì)通信電源設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制，主要由監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)完成；二是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的記錄、處理、管理和分析，主要由縣級(jí)監(jiān)控中心和區(qū)域監(jiān)控中心共同負(fù)責(zé)完成[1-2]。在本系統(tǒng)中，采取了將傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為兩層結(jié)構(gòu)的方案，而且下位機(jī)部分應(yīng)能夠脫離上位機(jī)單獨(dú)工作。因此，下位機(jī)部分必須能夠完成監(jiān)控模塊的全部功能和監(jiān)控中心的部分功能。下文將著重對(duì)該通信電源監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了詳細(xì)地論述。
2 系統(tǒng)的總體監(jiān)控要求
目前的通信電源系統(tǒng)中采用了許多新技術(shù)、新工藝，其自身的可靠性和智能化程度都有了很大的提高，對(duì)集中監(jiān)控的要求也就相應(yīng)的降低。因此在選擇監(jiān)控對(duì)象時(shí)應(yīng)盡量精簡(jiǎn)，以方便、實(shí)用為基本準(zhǔn)則，可要可不要的監(jiān)控對(duì)象應(yīng)盡量取消，以遙測(cè)、遙信為主，遙控為輔。
下位機(jī)所要完成的主要功能是：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集、實(shí)時(shí)響應(yīng)遠(yuǎn)端控制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的異常情況、并進(jìn)行聲光報(bào)警以及緊急處理；同時(shí)在上位機(jī)出現(xiàn)故障或通信網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，能夠獨(dú)立完成監(jiān)控任務(wù)。
3 硬件電路的設(shè)計(jì)
從以上的分析可以看出，在通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，所需采集和處理的數(shù)據(jù)量較大，如果只使用單個(gè)的處理器可能會(huì)造成系統(tǒng)的負(fù)荷過(guò)重，穩(wěn)定性和可靠性都難以保證。因此，在本系統(tǒng)中采用了松耦合結(jié)構(gòu)的多微處理器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有處理能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、可靠性高以及配置靈活的優(yōu)點(diǎn)。多微處理器系統(tǒng)通常由一組主、從部件和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成，其常規(guī)結(jié)構(gòu)如圖1所示：中央處理器負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)中的主干功能，中間處理器和現(xiàn)場(chǎng)處理器配合中央處理器完成一些輔助性的工作，比如數(shù)據(jù)采集、通信等功能；
互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)多微處理器系統(tǒng)的關(guān)鍵，各個(gè)處理部件之間依靠它進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換?；谝陨系姆治?，在兼顧功能要求和便于系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)共采用了三個(gè)微處理器：其中主處理器部分采用了MC68332微處理器，通信處理器部分采用了DS80C320，蓄電池監(jiān)控單元?jiǎng)t采用了ATS5150，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案原理框圖如圖2所示。
圖1 常見多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)圖
按照模塊化的要求，系統(tǒng)共分為微處理器及外設(shè)模塊、模擬量采集模塊、開關(guān)量采集模塊、控制量輸出模塊、人機(jī)接口模塊、聲光報(bào)警模塊以及通信模塊。
3.1 主處理器及其外設(shè)模塊
主處理器部分采用了MOTOLORA公司的32位微控制器MC68332，它是一種積木式的單片機(jī)，具有卓越的數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大的外圍子系統(tǒng)，主要包含以下幾個(gè)微處理模塊：系統(tǒng)集成模塊（SIM）、中央處理單元（CPU32）、時(shí)間處理單元、以及靜態(tài)RAM模塊。同時(shí)為了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的功能，擴(kuò)展了以下幾個(gè)部分：1）數(shù)據(jù)不揮發(fā)存儲(chǔ)器；2）看門狗電路；3）主從處理器互聯(lián)模塊；4）實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。
3.2 模擬量采集模塊
模擬量采集模塊主要包括信號(hào)預(yù)調(diào)理電路、量程在線轉(zhuǎn)換電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換主電路。
3.2.1 信號(hào)預(yù)調(diào)理電路
信號(hào)預(yù)調(diào)理電路的作用在于將不同范圍的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器所要求范圍的電壓信號(hào)。針對(duì)不同的信號(hào)必須采用相應(yīng)的預(yù)調(diào)理電路，此處對(duì)交流電壓、電流信號(hào)調(diào)理部分均采用了電流型的互感器；直流電壓的調(diào)理電路采用了帶負(fù)反饋的光隔放大電路；直流電流的調(diào)理采用了霍爾傳感器，同時(shí)為了調(diào)整方便，將霍爾傳感器的輸出經(jīng)過(guò)電阻分壓以后，通過(guò)兩級(jí)反向放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器。
3.2.2 量程在線轉(zhuǎn)換電路
在通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，由于所要處理的信號(hào)十分復(fù)雜，電平高低相差很大。因此，如何實(shí)現(xiàn)測(cè)量量程的在線轉(zhuǎn)換，一直是人們所關(guān)注的問(wèn)題。通常的轉(zhuǎn)換方法是采用程控增益放大器，或者是多路輸入的形式，這必然以增加電路的復(fù)雜性和降低可靠性作為代價(jià)。本系統(tǒng)中采用了數(shù)字電位計(jì)X9241來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量量程的在線轉(zhuǎn)換。XICOR公司的X9241內(nèi)部集成了四個(gè)非易失性E2POT。其中每一個(gè)E2POT包含有63個(gè)電阻單元，一個(gè)滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器（WCR）和四個(gè)可以由用戶讀出和寫入的8位數(shù)據(jù)寄存器?；瑒?dòng)端計(jì)數(shù)寄存器的內(nèi)容用來(lái)控制滑動(dòng)端在電阻陣列中的位置，并且可以和數(shù)據(jù)寄存器之間進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。其具體的通信規(guī)約和時(shí)序可參見參考文獻(xiàn)[3]。
從理論上講，利用數(shù)字電位計(jì)可以實(shí)現(xiàn)任意量程的轉(zhuǎn)換。但由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度的限制以及通信電源監(jiān)控系統(tǒng)高實(shí)時(shí)性的要求，選取過(guò)多的轉(zhuǎn)換點(diǎn)反而會(huì)收到事倍功半的效果。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只需1：1，1：2，1：5，1：10，1：20，和1：50六種量程就可以保證輸入信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的2/3量程附近，因此，在這里巧妙的利用了滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)上述六種量程在線轉(zhuǎn)換。具體的實(shí)現(xiàn)方法是：在兩個(gè)E2POT的R0中存儲(chǔ)值為01H，由于上電復(fù)位時(shí)滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器會(huì)自動(dòng)裝入R0中的值，因此初始化時(shí)，放大器為一跟隨器，當(dāng)需要測(cè)量微弱電流時(shí)，根據(jù)初次采集得到的值，與事先設(shè)定的參考值進(jìn)行比較，選擇合適的量程進(jìn)行放大后重新采集。
在采用這一技術(shù)之后，數(shù)據(jù)采集的精度有了較大的提高。但同時(shí)這一電路有時(shí)會(huì)在輸出端產(chǎn)生振蕩，造成輸出波形失真，解決方法是在放大器輸入和反饋端串聯(lián)兩個(gè)電阻，增加其到輸入端的衰減通道。
3.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換主電路
在模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，根據(jù)系統(tǒng)采樣精度和速度的要求，我們采用了AD公司的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換ADS774。它是一種采用CMOS技術(shù)的低功耗、高采樣速度的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從模擬量輸入到轉(zhuǎn)換結(jié)束的時(shí)間為8.5us,采樣頻率可達(dá)117khz，而且具有內(nèi)部的采樣和保持電路，其自身就是一個(gè)完備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ADS774的具體工作時(shí)序和工作原理可參見文獻(xiàn)[3]，在此不再敷述。
3.3 開關(guān)量采集模塊
開關(guān)量的采集正確與否直接影響控制的準(zhǔn)確程度。作為通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中的開關(guān)量采集電路必須滿足幾點(diǎn)要求：一是采集電路的接入不能干擾原電源設(shè)備的工作狀態(tài)；二是采集電路不允許有誤讀，否則將會(huì)引起監(jiān)控系統(tǒng)的誤控；三是開關(guān)量調(diào)整后應(yīng)該符合監(jiān)控系統(tǒng)的接口要求，低電平為0~1V，高電平為3.6~5V。這就要求采集電路必須具有較高的可靠性和隔離度[4]。圖4給出了開關(guān)量采集電路的調(diào)理電路。
3.4 人機(jī)接口模塊
人機(jī)接口模塊包括鍵盤和顯示模塊。由于本系統(tǒng)定位于無(wú)人值守，對(duì)鍵盤功能的要求相對(duì)較弱，因此我們采取了4*4的行列式鍵盤。顯示模塊則采用了內(nèi)藏HD61202控制芯片的LCM19264A液晶顯示模塊，可以顯示四行、十二列的漢字。
3.5 通信模塊
下位機(jī)作為直接面向設(shè)備的從機(jī)需要與上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，同時(shí)下位機(jī)還要作為主機(jī)與各種智能設(shè)備通信。因此在本系統(tǒng)同時(shí)采用了RS232和RS485兩種通信方式，其中下位機(jī)與上位機(jī)之間通過(guò)PSTN網(wǎng)與上位機(jī)之間通信，完成獲取參數(shù)、傳輸數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程報(bào)警等功能；下位機(jī)與各種智能設(shè)備之間通訊通過(guò)RS485組網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)及其狀態(tài)[5]。
通信模塊采用了單獨(dú)的微處理器DS80C320，它在普通單片機(jī)的基礎(chǔ)上為P1口也定義了第二功能，從而擁有四個(gè)全雙工的串行通信口、六個(gè)外部中斷、三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，同時(shí)在指令上與8051兼容，對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的通信單元來(lái)說(shuō)十分適用。
3.5.1下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信
下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信媒介采用了PSTN網(wǎng)在本系統(tǒng)中采用了擴(kuò)展一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的全功能RS232通信口，通過(guò)外置MODEM連至PSTN網(wǎng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。其實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示：
圖中8251是通用同步/異步收發(fā)器，它具有獨(dú)立的接收器和發(fā)送器，通過(guò)編程可以以單工、半雙工獲全雙工的方式進(jìn)行通信。同時(shí)它還提供了多個(gè)與MODEM連接所需的控制信號(hào)，可以很方便的實(shí)現(xiàn)與MODEM之間的互聯(lián)。
3.5.2 下位機(jī)與智能設(shè)備之間的通信
下位機(jī)與智能設(shè)備之間采用RS485通信的主從式組網(wǎng)方式。RS485采用平衡發(fā)送和差分接收的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，具有很強(qiáng)的抗共模干擾的能力，其傳輸距離在10Kbps的傳輸速率時(shí)可達(dá)1.2公里。具體的實(shí)現(xiàn)方案如圖6所示。
3.6 控制量輸出模塊
控制量的輸出電路如圖7所示。圖中OUT為處理器輸出的開關(guān)量控制信號(hào)，與外部通過(guò)光耦和繼電器兩級(jí)隔離。由于繼電器的驅(qū)動(dòng)線圈有一定的電感，在關(guān)斷瞬間可能會(huì)產(chǎn)生較大的電壓，因此在繼電器線圈兩端反并聯(lián)了一個(gè)吸收二極管。
當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，下位機(jī)在通過(guò)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)通過(guò)兩片8155的定時(shí)器控制蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行本地的聲光報(bào)警。其具體實(shí)現(xiàn)電路如圖8所示。
3.8 輔助電源模塊
通信電源監(jiān)控系統(tǒng)作為通信電源系統(tǒng)的檢測(cè)和控制模塊，自身必須具有較高的可靠性，因此其輔助電源模塊通常由蓄電池供給。
本系統(tǒng)有多種不同電源要求：+5V用于提供微處理器核心電壓；-5V用于提供部分運(yùn)算放大器的偏置電壓；±12V電壓用于提供模數(shù)轉(zhuǎn)換器電壓、隔離+5V用于提供通信接口電壓；-8V可調(diào)電壓用于提供LCD偏壓。這里提出了如下多路供電電源方案：采用一個(gè)隔離型DC/DC 獲得系統(tǒng)主電源然后由系統(tǒng)主電源利用多個(gè)非隔離DC/DC電路獲得各種電源。由于本系統(tǒng)中除主電源之外，其它輔助電源功率相對(duì)較低且多數(shù)不需要和主電源隔離，因此應(yīng)用這種方案可以方便的實(shí)現(xiàn)多路輸出的小功率電源。
由蓄電池（電壓范圍35V至-75V）產(chǎn)生+5V主電源的電路如圖9所示。其余幾路電源均可由此主電源通過(guò)簡(jiǎn)單的DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)：-5V偏壓：可由MAX660反壓型電荷泵（最大電流100mA）獲得；±12V電壓：可由MAX743(內(nèi)部集成了一個(gè)升壓型和一個(gè)反壓型DC-DC變換器，輸出功率可達(dá)3W)獲得；隔離+5V：可由MAX845獲得一個(gè)小功率的隔離電壓。上述的具體電路可參閱MAXIM公司產(chǎn)品手冊(cè)。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
以直流電壓和交流電壓（以A相交流輸入為例）信號(hào)測(cè)試結(jié)果為例，給出測(cè)試結(jié)果如表1、2所示。
表1 直流電壓信號(hào)測(cè)試結(jié)果表 表2 交流電壓信號(hào)測(cè)試結(jié)果
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