基于MCU的智能化在線(xiàn)UPS的設計

概括說(shuō)來(lái)，現代UPS的發(fā)展方向是高頻化，小型化和智能化，近年來(lái)，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)現了中小功率UPS高頻化和小型化的目標。隨后使用MCU（單片機）開(kāi)發(fā)一系列新產(chǎn)品，使UPS實(shí)現智能化，即電池管理的智能化，人機界面的智能化（遠程LCD面板），UPS管理網(wǎng)絡(luò )化，包括POWERSOFT電源監控軟件和UNMS-1 UPS網(wǎng)絡(luò )管理系統（國家火炬計劃項目）。

　　對UPS制造商而言，實(shí)現UPS智能化可以大幅度提高生產(chǎn)效率。比如，以往UPS調試時(shí)需要調節許多電位器和測量多個(gè)工作點(diǎn)電壓和頻率，而采用智能化設計后，只需調節少許電位器，其他參數則通過(guò)UPS調試軟件界面進(jìn)行參數設置，由于采用數字處理技術(shù)，不存在原來(lái)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設計，以軟件代替硬件，電路板的面積和功耗明顯的小了，這樣對系統可靠性無(wú)疑是有好處的。同時(shí)，由于現代的MCU的程序存儲器均有加密技術(shù)，可以防止非法拷貝，保護知識產(chǎn)權。另外，如果UPS的軟件系統設計相對完善，其故障自檢功能較強，則可以為安裝維護人員提供方便，節省費用和工時(shí)。以下為針對在線(xiàn)式智能UPS的幾個(gè)設計方案。

　　1. 基于傳統UPS主控制板的原理

　　由PLD+MCU實(shí)現原模擬電路實(shí)現的功能，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(xiàn)路，在基準正弦波合成方面將用一只廉價(jià)的PLD器件代換原來(lái)由多個(gè)計數器、加法器等的實(shí)現功能。MCU控制系統可以采用廉價(jià)的ATMEL89C52和一只10位11路A/D轉換芯片TLC1543及一片XICOR公司的監控+串行EEPROM 芯片X25045組成，可以實(shí)現完成輸出電壓的調整、電池的智能管理、重要器件的在線(xiàn)檢測。但是不參與同步控制，在與上位機的通信及生產(chǎn)調試和面板功能方面MCU實(shí)現將比原來(lái)設計成本低、功能強，實(shí)現該方案可以在較少的時(shí)間完成。

　　2. 基于單芯片的實(shí)現方案

　　由一塊功能強大的MCU完成人機界面、通信、輸入輸出同步、輸出電壓PID調節、各種故障判斷和自診斷功能，該實(shí)現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(kāi)發(fā)難度和測試工作量大，如果要幾個(gè)工程師并行開(kāi)發(fā)，要求項目系統分析員分析能力較強，項目經(jīng)理能協(xié)調各個(gè)項目組員無(wú)縫協(xié)作，軟件代碼結構化要求高。這種方案實(shí)現后可節省電路面積、采購及生產(chǎn)很方便。

　　3. 基于雙MCU的實(shí)現方案

　　作者認為此方案最適合目前我國工程師的開(kāi)發(fā)水平，系統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負責人機界面（面板、通信、調試、故障診斷），要求芯片為FLASH（閃存）形式，單片機系統可以用C語(yǔ)言寫(xiě)代碼，具備電壓監控和復位功能。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)界標準，開(kāi)發(fā)工具及參考資料國內都非常完善，可以由一般的MCU設計人員完成。如果UPS用戶(hù)提出一些特殊要求，如開(kāi)關(guān)機時(shí)序或故障告警特定提示，可以通過(guò)ISP方法來(lái)解決，軟件更改升級非常方便。

　　cMCU則負責UPS的I/O同步、逆變器驅動(dòng)、輸出電壓穩壓PID調節、過(guò)流保護、實(shí)時(shí)采樣和整流器驅動(dòng)等實(shí)時(shí)控制。在實(shí)驗做過(guò)后可將MCU掩膜，以降低芯片成本，以后的設計可以將其嵌入任何UPS,作為標準模塊使用。這項工作應由專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗豐富的工程師完成，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(mén)狗監控電路），而mMCU不涉及實(shí)時(shí)控制，芯片受干擾程序出錯后，可以利用WDT或非法指令或非法地址復位來(lái)得到解決。它能監督cMCU的運行狀態(tài)，一旦發(fā)現控制異常，可以馬上對系統作補救措施，防止造成惡果。

　　2芯片方案可以為控制系統分散風(fēng)險。我們可以選擇容量小、速度快的廉價(jià)MCU進(jìn)行設計，估計可以選到價(jià)格小于30元的芯片。 以上分析表明，采用第3種方案設計UPS將是適合國內廠(chǎng)商的最合理方法，無(wú)論從原材料成本，開(kāi)發(fā)難度，軟件升級方便性和系統可靠性方面都優(yōu)于另外2種方案。對于其他行業(yè)，如果設備同時(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(guò)CAN總線(xiàn)或SPI或較慢的RS485總線(xiàn)通信）不失為一種可取的方案。