通信電源監(jiān)控系統(tǒng)下位機硬件電路的設(shè)計
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1 引言
通信電源通常被稱為通信系統(tǒng)的心臟，其工作不正常，將會造成通信系統(tǒng)故障，甚至導致整個系統(tǒng)癱瘓。美國APC公司的一項調(diào)查結(jié)果表明，大約有75%以上的通信系統(tǒng)故障都是由于電源設(shè)備故障或者是電源設(shè)備不符和技術(shù)條件而引起的。同時隨著通信電源向小型化、模塊化發(fā)展、供電方式由集中供電向分散供電轉(zhuǎn)變，以往的人工監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化、通用化設(shè)計，從而具有較高商業(yè)價值和研究意義。
根據(jù)《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中的定義，通信電源監(jiān)控系統(tǒng)所要實現(xiàn)的基本功能有：一是對通信電源設(shè)備的監(jiān)測與控制，主要由監(jiān)控模塊負責完成；二是對監(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄、處理、管理和分析，主要由縣級監(jiān)控中心和區(qū)域監(jiān)控中心共同負責完成[1-2]。在本系統(tǒng)中，采取了將傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)簡化為兩層結(jié)構(gòu)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(jiān)控模塊的全部功能和監(jiān)控中心的部分功能。下文將著重對該通信電源監(jiān)控系統(tǒng)下位機硬件電路的設(shè)計思想和實現(xiàn)方案進行了詳細地論述。
2 系統(tǒng)的總體監(jiān)控要求
目前的通信電源系統(tǒng)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(jiān)控的要求也就相應的降低。因此在選擇監(jiān)控對象時應盡量精簡，以方便、實用為基本準則，可要可不要的監(jiān)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：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集、實時響應遠端控制、監(jiān)測系統(tǒng)的異常情況、并進行聲光報警以及緊急處理；同時在上位機出現(xiàn)故障或通信網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，能夠獨立完成監(jiān)控任務。
3 硬件電路的設(shè)計
從以上的分析可以看出，在通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，所需采集和處理的數(shù)據(jù)量較大，如果只使用單個的處理器可能會造成系統(tǒng)的負荷過重，穩(wěn)定性和可靠性都難以保證。因此，在本系統(tǒng)中采用了松耦合結(jié)構(gòu)的多微處理器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)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。多微處理器系統(tǒng)通常由一組主、從部件和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成，其常規(guī)結(jié)構(gòu)如圖1所示：中央處理器負責完成系統(tǒng)中的主干功能，中間處理器和現(xiàn)場處理器配合中央處理器完成一些輔助性的工作，比如數(shù)據(jù)采集、通信等功能；
互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)多微處理器系統(tǒng)的關(guān)鍵，各個處理部件之間依靠它進行數(shù)據(jù)的交換?；谝陨系姆治?，在兼顧功能要求和便于系統(tǒng)軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)共采用了三個微處理器：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(jiān)控單元則采用了ATS5150，系統(tǒng)的總體設(shè)計方案原理框圖如圖2所示。
圖1 常見多微處理機結(jié)構(gòu)圖
按照模塊化的要求，系統(tǒng)共分為微處理器及外設(shè)模塊、模擬量采集模塊、開關(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(shè)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(shù)據(jù)處理能力和強大的外圍子系統(tǒng)，主要包含以下幾個微處理模塊：系統(tǒng)集成模塊（SIM）、中央處理單元（CPU32）、時間處理單元、以及靜態(tài)RAM模塊。同時為了進一步增強系統(tǒng)的功能，擴展了以下幾個部分：1）數(shù)據(jù)不揮發(fā)存儲器；2）看門狗電路；3）主從處理器互聯(lián)模塊；4）實時時鐘電路。
3.2 模擬量采集模塊
模擬量采集模塊主要包括信號預調(diào)理電路、量程在線轉(zhuǎn)換電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換主電路。
3.2.1 信號預調(diào)理電路
信號預調(diào)理電路的作用在于將不同范圍的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為模擬開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)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(diào)理電路，此處對交流電壓、電流信號調(diào)理部分均采用了電流型的互感器；直流電壓的調(diào)理電路采用了帶負反饋的光隔放大電路；直流電流的調(diào)理采用了霍爾傳感器，同時為了調(diào)整方便，將霍爾傳感器的輸出經(jīng)過電阻分壓以后，通過兩級反向放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器。
3.2.2 量程在線轉(zhuǎn)換電路
在通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，由于所要處理的信號十分復雜，電平高低相差很大。因此，如何實現(xiàn)測量量程的在線轉(zhuǎn)換，一直是人們所關(guān)注的問題。通常的轉(zhuǎn)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。本系統(tǒng)中采用了數(shù)字電位計X9241來實現(xiàn)測量量程的在線轉(zhuǎn)換。XICOR公司的X9241內(nèi)部集成了四個非易失性E2POT。其中每一個E2POT包含有63個電阻單元，一個滑動端計數(shù)寄存器（WCR）和四個可以由用戶讀出和寫入的8位數(shù)據(jù)寄存器?；瑒佣擞嫈?shù)寄存器的內(nèi)容用來控制滑動端在電阻陣列中的位置，并且可以和數(shù)據(jù)寄存器之間進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。其具體的通信規(guī)約和時序可參見參考文獻[3]。
從理論上講，利用數(shù)字電位計可以實現(xiàn)任意量程的轉(zhuǎn)換。但由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度的限制以及通信電源監(jiān)控系統(tǒng)高實時性的要求，選取過多的轉(zhuǎn)換點反而會收到事倍功半的效果。通過試驗發(fā)現(xiàn)，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(shù)轉(zhuǎn)換器的2/3量程附近，因此，在這里巧妙的利用了滑動端計數(shù)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)上述六種量程在線轉(zhuǎn)換。具體的實現(xiàn)方法是：在兩個E2POT的R0中存儲值為01H，由于上電復位時滑動端計數(shù)寄存器會自動裝入R0中的值，因此初始化時，放大器為一跟隨器，當需要測量微弱電流時，根據(jù)初次采集得到的值，與事先設(shè)定的參考值進行比較，選擇合適的量程進行放大后重新采集。
在采用這一技術(shù)之后，數(shù)據(jù)采集的精度有了較大的提高。但同時這一電路有時會在輸出端產(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)兩個電阻，增加其到輸入端的衰減通道。
3.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換主電路
在模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，根據(jù)系統(tǒng)采樣精度和速度的要求，我們采用了AD公司的高速模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器，從模擬量輸入到轉(zhuǎn)換結(jié)束的時間為8.5us,采樣頻率可達117khz，而且具有內(nèi)部的采樣和保持電路，其自身就是一個完備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ADS774的具體工作時序和工作原理可參見文獻[3]，在此不再敷述。
3.3 開關(guān)量采集模塊
開關(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(jiān)控系統(tǒng)中的開關(guān)量采集電路必須滿足幾點要求：一是采集電路的接入不能干擾原電源設(shè)備的工作狀態(tài)；二是采集電路不允許有誤讀，否則將會引起監(jiān)控系統(tǒng)的誤控；三是開關(guān)量調(diào)整后應該符合監(jiān)控系統(tǒng)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給出了開關(guān)量采集電路的調(diào)理電路。
3.4 人機接口模塊
人機接口模塊包括鍵盤和顯示模塊。由于本系統(tǒng)定位于無人值守，對鍵盤功能的要求相對較弱，因此我們采取了4*4的行列式鍵盤。顯示模塊則采用了內(nèi)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(shè)備的從機需要與上位機進行遠程通信，同時下位機還要作為主機與各種智能設(shè)備通信。因此在本系統(tǒng)同時采用了RS232和RS485兩種通信方式，其中下位機與上位機之間通過PSTN網(wǎng)與上位機之間通信，完成獲取參數(shù)、傳輸數(shù)據(jù)、遠程報警等功能；下位機與各種智能設(shè)備之間通訊通過RS485組網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)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(chǔ)上為P1口也定義了第二功能，從而擁有四個全雙工的串行通信口、六個外部中斷、三個定時/計數(shù)器，同時在指令上與8051兼容，對于監(jiān)控系統(tǒng)的通信單元來說十分適用。
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(tǒng)中采用了擴展一個標準的全功能RS232通信口，通過外置MODEM連至PSTN網(wǎng)的方法來實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信。其實現(xiàn)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，通過編程可以以單工、半雙工獲全雙工的方式進行通信。同時它還提供了多個與MODEM連接所需的控制信號，可以很方便的實現(xiàn)與MODEM之間的互聯(lián)。
3.5.2 下位機與智能設(shè)備之間的通信
下位機與智能設(shè)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實現(xiàn)通信，具有很強的抗共模干擾的能力，其傳輸距離在10Kbps的傳輸速率時可達1.2公里。具體的實現(xiàn)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為處理器輸出的開關(guān)量控制信號，與外部通過光耦和繼電器兩級隔離。由于繼電器的驅(qū)動線圈有一定的電感，在關(guān)斷瞬間可能會產(chǎn)生較大的電壓，因此在繼電器線圈兩端反并聯(lián)了一個吸收二極管。
當系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，下位機在通過遠程通信網(wǎng)絡(luò)向上位機發(fā)出報警信息，同時通過兩片8155的定時器控制蜂鳴器和發(fā)光二極管進行本地的聲光報警。其具體實現(xiàn)電路如圖8所示。
3.8 輔助電源模塊
通信電源監(jiān)控系統(tǒng)作為通信電源系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)換器電壓、隔離+5V用于提供通信接口電壓；-8V可調(diào)電壓用于提供LCD偏壓。這里提出了如下多路供電電源方案：采用一個隔離型DC/DC 獲得系統(tǒng)主電源然后由系統(tǒng)主電源利用多個非隔離DC/DC電路獲得各種電源。由于本系統(tǒng)中除主電源之外，其它輔助電源功率相對較低且多數(shù)不需要和主電源隔離，因此應用這種方案可以方便的實現(xiàn)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簡單的DC-DC變換器實現(xiàn)：-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(nèi)部集成了一個升壓型和一個反壓型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 實驗結(jié)果及結(jié)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(jié)果為例，給出測試結(jié)果如表1、2所示。
表1 直流電壓信號測試結(jié)果表 表2 交流電壓信號測試結(jié)果
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