通信電源監控系統下位機硬件電路的設計
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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(chēng)為通信系統的心臟，其工作不正常，將會(huì )造成通信系統故障，甚至導致整個(gè)系統癱瘓。美國APC公司的一項調查結果表明，大約有75%以上的通信系統故障都是由于電源設備故障或者是電源設備不符和技術(shù)條件而引起的。同時(shí)隨著(zhù)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變，以往的人工監控模式難以適應，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控系統，該系統采用模塊化、通用化設計，從而具有較高商業(yè)價(jià)值和研究意義。
根據《通信電源和空調集中監控系統技術(shù)要求》中的定義，通信電源監控系統所要實(shí)現的基本功能有：一是對通信電源設備的監測與控制，主要由監控模塊負責完成；二是對監測數據的記錄、處理、管理和分析，主要由縣級監控中心和區域監控中心共同負責完成[1-2]。在本系統中，采取了將傳統的三層結構簡(jiǎn)化為兩層結構的方案，而且下位機部分應能夠脫離上位機單獨工作。因此，下位機部分必須能夠完成監控模塊的全部功能和監控中心的部分功能。下文將著(zhù)重對該通信電源監控系統下位機硬件電路的設計思想和實(shí)現方案進(jìn)行了詳細地論述。
2 系統的總體監控要求
目前的通信電源系統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，對集中監控的要求也就相應的降低。因此在選擇監控對象時(shí)應盡量精簡(jiǎn)，以方便、實(shí)用為基本準則，可要可不要的監控對象應盡量取消，以遙測、遙信為主，遙控為輔。
下位機所要完成的主要功能是：實(shí)現數據的現場(chǎng)采集、實(shí)時(shí)響應遠端控制、監測系統的異常情況、并進(jìn)行聲光報警以及緊急處理；同時(shí)在上位機出現故障或通信網(wǎng)絡(luò )故障的情況下，能夠獨立完成監控任務(wù)。
3 硬件電路的設計
從以上的分析可以看出，在通信電源監控系統中，所需采集和處理的數據量較大，如果只使用單個(gè)的處理器可能會(huì )造成系統的負荷過(guò)重，穩定性和可靠性都難以保證。因此，在本系統中采用了松耦合結構的多微處理器系統。這種系統具有處理能力強、響應速度快、可靠性高以及配置靈活的優(yōu)點(diǎn)。多微處理器系統通常由一組主、從部件和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )組成，其常規結構如圖1所示：中央處理器負責完成系統中的主干功能，中間處理器和現場(chǎng)處理器配合中央處理器完成一些輔助性的工作，比如數據采集、通信等功能；
互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )是實(shí)現多微處理器系統的關(guān)鍵，各個(gè)處理部件之間依靠它進(jìn)行數據的交換?；谝陨系姆治?，在兼顧功能要求和便于系統軟件設計的基礎上，本系統共采用了三個(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，蓄電池監控單元則采用了ATS5150，系統的總體設計方案原理框圖如圖2所示。
圖1 常見(jiàn)多微處理機結構圖
按照模塊化的要求，系統共分為微處理器及外設模塊、模擬量采集模塊、開(kāi)關(guān)量采集模塊、控制量輸出模塊、人機接口模塊、聲光報警模塊以及通信模塊。
3.1 主處理器及其外設模塊
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，具有卓越的數據處理能力和強大的外圍子系統，主要包含以下幾個(gè)微處理模塊：系統集成模塊（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)一步增強系統的功能，擴展了以下幾個(gè)部分：1）數據不揮發(fā)存儲器；2）看門(mén)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預調理電路、量程在線(xiàn)轉換電路以及模數轉換主電路。
3.2.1 信號預調理電路
信號預調理電路的作用在于將不同范圍的電壓、電流信號轉換為模擬開(kāi)關(guān)和模數轉換器所要求范圍的電壓信號。針對不同的信號必須采用相應的預調理電路，此處對交流電壓、電流信號調理部分均采用了電流型的互感器；直流電壓的調理電路采用了帶負反饋的光隔放大電路；直流電流的調理采用了霍爾傳感器，同時(shí)為了調整方便，將霍爾傳感器的輸出經(jīng)過(guò)電阻分壓以后，通過(guò)兩級反向放大后送入A/D轉換器。
3.2.2 量程在線(xiàn)轉換電路
在通信電源監控系統中，由于所要處理的信號十分復雜，電平高低相差很大。因此，如何實(shí)現測量量程的在線(xiàn)轉換，一直是人們所關(guān)注的問(wèn)題。通常的轉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雜性和降低可靠性作為代價(jià)。本系統中采用了數字電位計X9241來(lái)實(shí)現測量量程的在線(xiàn)轉換。XICOR公司的X9241內部集成了四個(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)端計數寄存器（WCR）和四個(gè)可以由用戶(hù)讀出和寫(xiě)入的8位數據寄存器?；瑒?dòng)端計數寄存器的內容用來(lái)控制滑動(dòng)端在電阻陣列中的位置，并且可以和數據寄存器之間進(jìn)行雙向的數據傳輸。其具體的通信規約和時(shí)序可參見(jiàn)參考文獻[3]。
從理論上講，利用數字電位計可以實(shí)現任意量程的轉換。但由于模數轉換器精度的限制以及通信電源監控系統高實(shí)時(shí)性的要求，選取過(guò)多的轉換點(diǎn)反而會(huì )收到事倍功半的效果。通過(guò)試驗發(fā)現，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在模數轉換器的2/3量程附近，因此，在這里巧妙的利用了滑動(dòng)端計數寄存器和數據寄存器之間的雙向數據傳輸功能，實(shí)現上述六種量程在線(xiàn)轉換。具體的實(shí)現方法是：在兩個(gè)E2POT的R0中存儲值為01H，由于上電復位時(shí)滑動(dòng)端計數寄存器會(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，當需要測量微弱電流時(shí)，根據初次采集得到的值，與事先設定的參考值進(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，數據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模數轉換主電路
在模數轉換部分，根據系統采樣精度和速度的要求，我們采用了AD公司的高速模數轉換ADS774。它是一種采用CMOS技術(shù)的低功耗、高采樣速度的12位模數轉換器，從模擬量輸入到轉換結束的時(shí)間為8.5us,采樣頻率可達117khz，而且具有內部的采樣和保持電路，其自身就是一個(gè)完備的數據采集系統。ADS774的具體工作時(shí)序和工作原理可參見(jiàn)文獻[3]，在此不再敷述。
3.3 開(kāi)關(guān)量采集模塊
開(kāi)關(guān)量的采集正確與否直接影響控制的準確程度。作為通信電源監控系統中的開(kāi)關(guān)量采集電路必須滿(mǎn)足幾點(diǎn)要求：一是采集電路的接入不能干擾原電源設備的工作狀態(tài)；二是采集電路不允許有誤讀，否則將會(huì )引起監控系統的誤控；三是開(kāi)關(guān)量調整后應該符合監控系統的接口要求，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(kāi)關(guān)量采集電路的調理電路。
3.4 人機接口模塊
人機接口模塊包括鍵盤(pán)和顯示模塊。由于本系統定位于無(wú)人值守，對鍵盤(pán)功能的要求相對較弱，因此我們采取了4*4的行列式鍵盤(pán)。顯示模塊則采用了內藏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
下位機作為直接面向設備的從機需要與上位機進(jìn)行遠程通信，同時(shí)下位機還要作為主機與各種智能設備通信。因此在本系統同時(shí)采用了RS232和RS485兩種通信方式，其中下位機與上位機之間通過(guò)PSTN網(wǎng)與上位機之間通信，完成獲取參數、傳輸數據、遠程報警等功能；下位機與各種智能設備之間通訊通過(guò)RS485組網(wǎng)獲取數據及其狀態(tài)[5]。
通信模塊采用了單獨的微處理器DS80C320，它在普通單片機的基礎上為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)/計數器，同時(shí)在指令上與8051兼容，對于監控系統的通信單元來(lái)說(shuō)十分適用。
3.5.1下位機與上位機之間的通信
下位機與上位機之間的通信媒介采用了PSTN網(wǎng)在本系統中采用了擴展一個(gè)標準的全功能RS232通信口，通過(guò)外置MODEM連至PSTN網(wǎng)的方法來(lái)實(shí)現下位機與上位機之間的通信。其實(shí)現電路如圖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，可以很方便的實(shí)現與MODEM之間的互聯(lián)。
3.5.2 下位機與智能設備之間的通信
下位機與智能設備之間采用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)現通信，具有很強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1.2公里。具體的實(shí)現方案如圖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(kāi)關(guān)量控制信號，與外部通過(guò)光耦和繼電器兩級隔離。由于繼電器的驅動(dòng)線(xiàn)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(xiàn)圈兩端反并聯(lián)了一個(gè)吸收二極管。
當系統出現異常情況時(shí)，下位機在通過(guò)遠程通信網(wǎng)絡(luò )向上位機發(fā)出報警信息，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)行本地的聲光報警。其具體實(shí)現電路如圖8所示。
3.8 輔助電源模塊
通信電源監控系統作為通信電源系統的檢測和控制模塊，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用于提供部分運算放大器的偏置電壓；±12V電壓用于提供模數轉換器電壓、隔離+5V用于提供通信接口電壓；-8V可調電壓用于提供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 獲得系統主電源然后由系統主電源利用多個(gè)非隔離DC/DC電路獲得各種電源。由于本系統中除主電源之外，其它輔助電源功率相對較低且多數不需要和主電源隔離，因此應用這種方案可以方便的實(shí)現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：-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。
4 實(shí)驗結果及結論
以直流電壓和交流電壓（以A相交流輸入為例）信號測試結果為例，給出測試結果如表1、2所示。
表1 直流電壓信號測試結果表 表2 交流電壓信號測試結果
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