基于單片機的通信電源監控系統設計與實(shí)現

　　通信電源是通信網(wǎng)絡(luò )的"心臟",通信電源系統穩定、可靠的運行直接關(guān)系到通信的穩定性及可靠性。目前大型通信電源的供電方式多采用集中供電的方式，一旦發(fā)生供電故障，將直接引起整個(gè)通信系統的癱瘓。

　　通信電源的傳統維護方式主要依靠人工看守，工作量大，效率低下，造成設備發(fā)生故障而沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行處理而產(chǎn)生的重大通信阻斷時(shí)有發(fā)生。因此對在網(wǎng)運行通信電源設備實(shí)現遠程實(shí)時(shí)監測，有利于及時(shí)發(fā)現電源故障，減少人為因素，對保證供電系統穩定、可靠運行顯得十分重要。'

　　目前，通信電源系統廣泛使用高頻開(kāi)關(guān)電源系統設備，其智能化程度高。在運行過(guò)程中，電源系統的具體運行要求很多，例如：若電源系統不能輸出規定電流和電壓或輸出的電流、電壓超出允許波動(dòng)范圍，雜音電壓高于允許值時(shí)間并持續10 S以上者均判定為系統故障。原交流系統中的電壓、頻率或波形畸變超出規定范圍持續時(shí)間大于60 S者也判定為故障。

　　為此，要保證通信電源系統的可靠性，通信部門(mén)應盡量從兩個(gè)不同的地方引入2路市電輸入，并設置2路市電電能自動(dòng)倒換裝置;所用設備要選用可靠性高的高頻開(kāi)關(guān)整流設備。

　　模塊化、熱插拔式結構以便于更換，并合理配置備份設備。供電方式要大力推廣分散供電，使用同一種直流電壓的通信設備采用兩個(gè)以上的獨立供電系統。為了盡量縮短設備的平均故障修復時(shí)間，要經(jīng)常分析運行參數，預測故障發(fā)生的時(shí)間并及時(shí)排除。還要提高技術(shù)維護水平，采用集中維護、遠程遙信、遙測維護。

　　實(shí)施集中監控管理是網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是現代通信網(wǎng)的要求，也是企業(yè)減員增效的有效措施。各種電源設備要智能化、標準化，符合開(kāi)放式通信協(xié)議。

　　1 框架結構及總體設計要求

　　通信電源監控系統的主要作用是隨時(shí)監控電源的運行狀態(tài);對電壓的波動(dòng)、頻率的波動(dòng)、波形失真率、瞬時(shí)浪涌、瞬變脈沖、三相不平衡等各種質(zhì)量特性指標進(jìn)行監控;當故障發(fā)生時(shí)，能夠及時(shí)采取相應措施并報警等。根據通信電源集中維護、統一管理的基本模式，監控系統在結構上是多級的分布式計算機監控網(wǎng)絡(luò )，一般可分為四級：中心監控中心、區域監控中心、局站監控中心以及前端現場(chǎng)處理部分(包括智能設備、蓄電池檢測儀、前端采集設備)。整個(gè)系統的框架結構宜采用樹(shù)型結構(見(jiàn)圖1)，樹(shù)型結構有很好的擴容性，以滿(mǎn)足通信行業(yè)不斷發(fā)展的需求。

圖1 通信電源監控系統框架結構圖

　　通信電源監控系統的主要功能設計如下：

　　(1)實(shí)時(shí)監控及顯示各個(gè)通信電源設備的運行參數及相應的工作狀態(tài)，當設備出現故障時(shí)具有聲光報警功能，以及時(shí)提示工作人員排除故障;(2)當故障發(fā)生時(shí)，能夠及時(shí)實(shí)現主從電源準確無(wú)誤的切換，同時(shí)還要保證切換時(shí)電壓同頻率，同相位，同幅值;(3)對通信電源系統具有完善的保護功能，防止系統出現過(guò)壓、過(guò)流、頻率或相位超差及過(guò)熱等現象，當出現以上現象后及時(shí)采取措施;(4)通信功能：具有主從機組之間通信，與監控中心(上位機)通信等功能;(5)具有記錄歷史數據、狀態(tài)的功能。

　　2 硬件電路設計

　　DS80C320是美國DALLAS公司推出的高速低功耗8位單片機，它采用了全新設計的處理器內核，去掉了冗余的時(shí)鐘和存儲周期，在同樣的晶振速度下每個(gè)相同的指令執行速度可以被提高1.5~3倍。它可以與80C51/80C32兼容，使用標準8051指令集。

　　本系統實(shí)時(shí)監控通信電源系統的電流、電壓、溫度、頻率及相位，并將相應的數據送入微處理器，同時(shí)采集蓄電池的電壓、工作電流和環(huán)境溫度，定時(shí)計算蓄電池的內阻送人存貯器及微處理器;并通過(guò)微處理器將數據送入上位機。具體模塊分為微處理器及外設模塊，電壓采集及測試模型、電流采集及測試模型、溫度采集及測試模型、頻率及相位測量模塊、輸入及顯示模塊、控制量輸出輸入模塊以及通信模塊，如圖2所示。

圖2 監控系統硬件框圖

　　在本系統當中，微處理器采用了DS80C320芯片，從而提高了整個(gè)系統的可靠性。同時(shí)為了準確記錄蓄電池的狀態(tài)而擴展了相應的外部存儲器。根據采集精度要求以及被采集量的特點(diǎn)，電流、電壓及溫度測試采集模塊采用AD公司的高性能l2位逐次逼近式模數轉換器AD574A來(lái)完成，轉換時(shí)間為25 s,線(xiàn)性誤差為±1/2 LSB,內部有時(shí)鐘脈沖源和基準電壓源，單通道單極性或雙極性電壓輸入，采用28腳雙立直插式封裝，并通過(guò)ADG508A擴展模擬量輸入通道。頻率及相差采集測試模塊是將信號先經(jīng)過(guò)具有遲滯特性的過(guò)零比較器轉換為方波，然后通過(guò)雙四選一開(kāi)關(guān)4052送人單片機，完全能夠滿(mǎn)足伺服系統的要求。通過(guò)定時(shí)器]rn來(lái)計算頻率和相差。I/O控制的主要功能是實(shí)現了對供電斷路器進(jìn)行有效控制，實(shí)現主路電源、備路電源及備用發(fā)電機的有效切換。輸入及顯示模塊采用8位7段LED顯示，顯示的內容包括電流、電壓、頻率及相差等運行數據，這些數據可以通過(guò)按鍵進(jìn)行簡(jiǎn)單的選擇，同時(shí)通過(guò)發(fā)光二極管和蜂鳴器提示運行狀態(tài)。本系統硬件部分利用串口1采用RS485標準接IZl實(shí)現與上位機的通信，完成傳輸數據和遠程報警等功能。

　　3 系統軟件設計

　　3.1系統軟件流程

　　系統軟件部分采用NI公司推出的一套面向測控領(lǐng)域的軟件開(kāi)發(fā)平臺：Labwindows/CⅥ 來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。LabWin-dows/CVI是National Instruments公司(美國國家儀器公司，簡(jiǎn)稱(chēng)NI公司) 推出的交互式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺。LabWin-dows/CVI將功能強大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺與用于數據采集分析和顯示的測控專(zhuān)業(yè)工具有機地結合起來(lái)，利用它的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數面板和豐富的庫函數大大增強了c語(yǔ)言的功能，為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)設計人員編寫(xiě)檢測系統、自動(dòng)測試環(huán)境、數據采集系統、過(guò)程監控系統等應用軟件提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

　　系統軟件主程序部分的流程圖如圖3所示。

　圖3 主程序流程圖

　　3.2軟件部分的主要算法及功能

　　3.2.1蓄電池智能充放電算法的確定

　　正確合理的充放電可有效地延長(cháng)蓄電池的使用壽命，本系統內置了蓄電池充放電算法的數據模型，利用下位機采集上傳的數據自動(dòng)生成容量對應曲線(xiàn)與之進(jìn)行比較運算，用于確定下位機對蓄電池的充放電的管理，從而實(shí)現了蓄電池的智能充放電功能。

　　蓄電池智能充放電算法很多，本系統采用的算法是：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法是利用計算機來(lái)模擬大腦信號處理過(guò)程的人工智能技術(shù)，由大量簡(jiǎn)單的神經(jīng)元廣泛連接形成復雜的非線(xiàn)性系統，對采集數據進(jìn)行自動(dòng)歸納，從中獲取這些數據的內在規律。蓄電池是一個(gè)高度非線(xiàn)性系統，通常很難對其充放電過(guò)程建立合理準確的數學(xué)模型。所以，在給出外部激勵的條件下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法能夠利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的學(xué)習能力和并行結構模擬電池非線(xiàn)性特性來(lái)估計SOC值。

　　SOC估計采用典型的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，其中輸入、輸出層的神經(jīng)元個(gè)數由實(shí)際系統需要決定，中間層神經(jīng)元個(gè)數取決于系統復雜度及分析精度要求。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法中，系統輸入量包括電池電壓、環(huán)境溫度、充放電電流、電池內阻、累積放出電量等。輸入量類(lèi)型、數量是否選擇合適會(huì )直接影響到方法模型的計算量和準確性。

　　3.2.2數字濾波算法

　　根據本系統采集精度較高、被采集的模擬量變化緩慢的特點(diǎn)，采取了中值濾波法來(lái)從采樣數據列中提取出逼近真值的數據。中值濾波是對某一被測參數連續采樣N次(一般N取奇數)，然后把N次采樣值從小到大，或從大到小排隊，再取其中間值作為本次采樣值。中值濾波對于去掉偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩定而造成的誤差所引起的脈沖干擾比較有效，可對電流、電壓、溫度等數據進(jìn)行多周期采樣，每次采樣后和有效采樣值比較，如果變化幅度不超過(guò)一定幅值，采樣有效;否則視為無(wú)效放棄。

　　4 抗干擾措施

　　由于系統中存在