基于ARM Cortex-M3的遠程監(jiān)控智能電源系統(tǒng)設計

　　隨著當代科技的日益發(fā)展，數(shù)量巨大的各類設備的電源維護管理需要投入大量的人力、物力，像通信/ 電力設施所處環(huán)境越來越復雜，人煙稀少、交通不便、危險度高等都增大了維護的難度和費用。這對電源設備的監(jiān)控管理提出了更高的要求。電源監(jiān)控系統(tǒng)需要對系統(tǒng)中各狀態(tài)量進行監(jiān)視，還必須能對各供電支路進行控制和管理。維護管理人員可遠程進行數(shù)據查詢、控制等維護工作，并可利用友好的人機界面方便地得到需要的信息。

　　數(shù)字化技術的發(fā)展表現(xiàn)出了傳統(tǒng)技術無法比擬的優(yōu)勢，整個電源監(jiān)控系統(tǒng)的信號采樣、處理、控制、通信等均可通過數(shù)字化技術實現(xiàn)。全數(shù)字化的控制技術可有效縮小設備的體積，降低設備的成本，但同時大大提高設備的可靠性、智能化和用戶體驗。隨著模塊智能化程度的提高，新型電源監(jiān)控系統(tǒng)的維修性也得到了提高。

　　隨著嵌入式技術的發(fā)展，使用嵌入式實時操作系統(tǒng)是電源監(jiān)控系統(tǒng)的必然選擇。一方面是因為嵌入式實時操作系統(tǒng)具有良好的可移植性和較高的可靠性;另一方面是因為隨著電源監(jiān)控系統(tǒng)性能的不斷提升，僅靠傳統(tǒng)的單片機已無法適應新的需求。ARM 作為當今嵌入式技術的代表，不僅具有上述的所有優(yōu)勢，且成本很低，具有很高的性價比。本文中設計的系統(tǒng)選用了TI 公司生產的LuminaryCortex-M3 系列ARM 中的LM3S9B96 芯片。

　　1 工作原理

　　圖1 以8 路用電設備的電源監(jiān)控為例，給出了監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖。

　　圖1 8 路電源監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

　　8 路設備均從總電源處取電，各 供電支路的工作方式完全一樣。電源監(jiān)控系統(tǒng)啟動之后，主芯片處于上電復位狀態(tài)，其GPIOF 的8 個I/O 引腳處于低電平，此時電控開關保持關斷狀態(tài)，即供電支路處于斷電狀態(tài)。當主芯片內核和各外設初始化成功后，通過其內部嵌入式程序控制GPIOF 的8 個I/O 引腳輸出變?yōu)楦唠娖?，相應地各供電支路處于通電狀態(tài)，開始正常工作。

　　采集模塊包含電流傳感器和分壓電路，電流傳感器可測得流過供電支路的電流值，分壓電路將供電支路的電壓值調整到主芯片ADC 采樣的范圍內，二者均為模擬值。檢測值經過AD 采樣后，可在主芯片內運算得到各供電支路的電流和電壓值，并與預設的電流和電壓門限進行比較。若在門限范圍內則表示該供電支路工作正常，而在門限范圍外則表示該供電支路發(fā)生了過流、過壓、欠壓等異常，主芯片通過將GPIOF 相應引腳的輸出變?yōu)榈碗娖絹碜詣咏o該支路斷電，在經過檢查排除故障后可通過上位機下發(fā)指令控制該供電支路通電。

　　上位機與嵌入式下位機通過以太網進行通信，上位機可向下位機下發(fā)指令控制指定供電支路的通斷，也可設置各供電支路的電流和電壓門限值。每隔一定的時間，各供電支路的電流、電壓值及各種正常/ 異常狀態(tài)由下位機發(fā)送至上位機，通過上位機顯控軟件可觀察各供電支路的工作狀態(tài)。

　　2 設計與實現(xiàn)

　　2.1 核心模塊

　　核心模塊采用TI 公司生產的Luminary Cortex-M3 系列ARM 中的LM3S9B96 芯片，該芯片具有80MHz 的運行速度，內部集成了大容量的256KB 單周期Flash ROM 和96KB 單周期SRAM,具有16 通道10bit 分辨率的AD 采樣模塊、支持;LwIP 協(xié)議的10/100M 自適應以太網模塊和豐富的I/O 接口。

　　LM3S9B96 有65 個I/O 接口，設計時選取GPIOF 組8 個I/O 接口作為控制引腳;各供電支路需要采集電壓和電流兩種值，16 通道AD 采樣模塊可滿足8 路供電支路的采樣需求;集成的MAC+PHY 外設也可實現(xiàn)與上位機的以太網通信;大容量的內置存儲空間為復雜的程序提供了合適的平臺。根據上述分析，LM3S9B96 芯片非常適合本監(jiān)控系統(tǒng)，并可極大簡化電路設計。

　　2.2 控制模塊

　　各供電支路控制模塊的設計如圖2所示。根據各支路設備需要的電流值選擇合適的繼電器作為電子開關，并且在控制引腳和繼電器間加入光耦隔離保護及供電通斷指示燈。

　　當主芯片GPIOF 控制引腳為低電平時，LED 燈滅，繼電器3 腳輸入與5 腳輸出斷開，該供電支路斷電;當主芯片GPIOF 控制引腳為高電平時，光耦輸出為低電平，LED 燈亮，繼電器3 腳輸入與5腳輸出導通，該供電支路通電。