便于集成的智能化電源模塊監控系統研究

1 監控系統硬件設計
1.1 監控系統硬件結構
為了簡(jiǎn)化監控模塊的電路，采用總線(xiàn)式設計方案，即將大量的數據處理放在系統級監控中，而模塊級監控負責數據采集(包括輸出電壓、電流)，以及提供各種保護功能并且進(jìn)行狀態(tài)監控(包括過(guò)熱、過(guò)流、過(guò)壓、電網(wǎng)故障等)。由上位機通過(guò)通信總線(xiàn)對各個(gè)電源模塊進(jìn)行管理，監控系統框圖如圖1所示。

1.2 監控模塊硬件功能設計
單個(gè)監控模塊所要實(shí)現的功能包括監測功能、控制功能和通信功能．監測是指動(dòng)態(tài)采集模塊輸出電流、判斷模塊工作狀態(tài)，并將數據和有關(guān)狀態(tài)傳輸給系統上位機；控制是指接受上位機發(fā)出的調壓信號進(jìn)行模塊輸出電壓的調節，也可以通過(guò)面板上電位器進(jìn)行輸出電壓調節，同時(shí)實(shí)現故障保護；通信是指模塊配備RS485接口與系統上位機通信。
監控模塊的功能框圖如圖2所示。電源主功率電路采用移相全橋，可以實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，提高效率，為了擴展軟開(kāi)關(guān)的負載范圍，增加了輔助網(wǎng)絡(luò )，具體的電路和工作方式本文不做討論。虛線(xiàn)框內所示就是整個(gè)監控模塊，模塊的輸入量有電網(wǎng)輸入電壓、散熱片溫度、電源輸出電壓和輸出電流；模塊的輸出量有調壓信號、電源關(guān)閉信號和送給上位機的電源運行狀態(tài)信號。

微處理器是監控的核心器件，奉系統采用PHILIPS公司的P87LPC768單片機，其內部集成了PWM口、UART、WATCHDOG，該微處理器體積小(20腳)、功耗低、功能強大。PWM口可以用來(lái)進(jìn)行D／A轉換，由于對輸出電壓的調節不是很快的調速系統，因此只需要普通光耦隔離，跟隨阻容濾波器進(jìn)行濾波，得到控制信號，對輸出電壓進(jìn)行調節，這樣，充分利用了單片機內部的資源，減少了容易受溫度和電磁場(chǎng)干擾的外圍元器件。
由于電源模塊內部溫度變化較大，普通的模擬信號隔離(如采用線(xiàn)性光耦隔離)受溫度影響較大，因此先對輸出電壓和電流進(jìn)行采樣，得到數字信號，然后再通過(guò)光耦隔離送入單片機內處理。電流采樣選用的是串行A／D轉換器(如MAX1109)，這樣一方面節省了單片機有限的管腳資源，另一方面減小了模塊體積。由于串行A／D轉換器的數據讀出和寫(xiě)入的頻率可以比較低，因此可以采用普通光耦，降低成本。而轉換時(shí)鐘則可以采用A／D轉換器內部的高頻時(shí)鐘，不會(huì )影響轉換精度。
采樣得到的輸出電壓和電流值，也可以通過(guò)串行通信傳送到上位機，供上位機對整個(gè)系統進(jìn)行監控管理，同時(shí)也供模塊本身的液晶顯示用。為了節約單片機的資源，可以采用串行傳送的方案。通過(guò)一個(gè)串行／并行轉換器(如74LS164)來(lái)實(shí)現這一功能。液晶可以采用模塊，簡(jiǎn)化設計電路，提高可靠性。同時(shí)為了節省單片機資源，可以讓液晶模塊工作在4位數據方式。
監控模塊的電壓調節方式有兩種：一是通過(guò)手動(dòng)調節旋鈕進(jìn)行手動(dòng)調節，二是修改軟件里的設置進(jìn)行調節(系統級監控中才涉及)?？刂齐娫茨K的輸出電壓主要是要控制PWM波形的占空比，第一種方式下必須設計出可以產(chǎn)生占空比可調的PWM波形的電路(如由555定時(shí)器組成的占空比可調的多諧振蕩電路)，第二種方式下，是利用PHILIPS的P87LPC768單片機的PWM口產(chǎn)生PWM波形，而占空比的改變是在軟件中進(jìn)行設置的。
監控模塊與上位機進(jìn)行通信時(shí)，由于是多級通信，必須要有地址來(lái)進(jìn)行相互區分，對每個(gè)模塊進(jìn)行地址編碼，模塊的地址設定靠撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)控制，設置好的地址通過(guò)并進(jìn)串出移位串行寄存器讀入單片機內進(jìn)行處理。通信采用485協(xié)議。
采用上述設計方案設計出來(lái)監控模塊體積小，成本較低，功能又比較完善。

2 監控系統軟件設計
整個(gè)系統的軟件采用模塊化設計，由多個(gè)子程序構成，便于調試和擴展。為了提高采樣數據的準確性，減小誤差，在程序中采用了數字濾波技術(shù)。
主程序的流程圖如圖3所示，初始化后進(jìn)入主循環(huán)，檢測系統的狀態(tài)，判斷是否過(guò)壓，電網(wǎng)是否故障，是否過(guò)溫，是否過(guò)流，并且采樣輸出電流，轉換成電壓信號作為顯示并且通過(guò)通信總線(xiàn)輸送到上位機。由于模塊的電壓、電流顯示只是起到監視作用，不作為測量，因此刷新的頻率不需要很高，基本上不加重MCU的負擔。

檢測系統狀態(tài)時(shí)，如果發(fā)生了故障，延時(shí)再判斷是不是真的出現故障，一旦確認是出現了故障，關(guān)掉模塊輸出，同時(shí)用不同的LED指示燈來(lái)顯示不同的故障。這其中，過(guò)溫故障和電網(wǎng)故障是屬于可恢復性故障，因此要求等待一定時(shí)間，當故障消失后，模塊能夠重新啟動(dòng)；而輸出過(guò)壓和過(guò)流故障是不可恢復性故障，則不應該再讓模塊重新啟動(dòng)。
上位機對下位機的控制主要通過(guò)通信總線(xiàn)，采用主從式多機通信方式，上位機首先處于方式二，發(fā)出地址幀，然后等待從機的回答信號，收到后轉為方式三，再發(fā)出指令。被呼叫的從機收到主機的地址幀后，如果與自己的地址一致，就從方式二切換為方式三，把自己的地址作為數據發(fā)出，然后等待指令。
數據格式如下：

D8位為1表示發(fā)出的是地址幀，08位為0表示發(fā)出的是數據幀。模塊地址編號從0到15，與模塊放置次序一一對應。通信波特率為2400bps。

3 結語(yǔ)
本文介紹的監控系統，功能齊全，可靠性高，體積很小，而且抗干擾能力強，受溫度影響小，成本低廉，能夠應用在高功率密度電源模塊中，有很大的實(shí)用價(jià)值，現已應用在通信電源產(chǎn)品中。