一種總線式測控技術(shù)在高頻開關(guān)組合電源中的應(yīng)用

摘要：針對高效、低污染的綠色電源設(shè)計之需要，高可靠、易維護、功能齊備、結(jié)構(gòu)緊湊的電源監(jiān)控系統(tǒng)就顯得十分必要。介紹了一種總線式測控技術(shù)在智能電源監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)計原理，并提供了總線測控接口的硬件電路與軟件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：電源；總線式測控；單片機

如何對電源產(chǎn)品進行可靠、便捷的測控，是智能高頻開關(guān)電源的核心問題。電源測控涉及到數(shù)據(jù)的測量、控制、通信和人機對話等技術(shù)，其中測量與控制方案的合理性是電源系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。本文針對這一點，著重探討了一種總線式測控方案在智能高頻開關(guān)組合電源中的具體應(yīng)用。

智能高頻開關(guān)組合電源，一般采用雙路市電通過電氣互鎖作為交流輸入，并提供防雷措施和用戶交流分路。其輸入的交流經(jīng)高頻開關(guān)整流模塊整流后，產(chǎn)生用戶所需要的直流電（通常有12V、24V、48V、110V、220V等電壓等級），然后將輸出直流連接到電池組、用戶直流分路上，這就是智能高頻開關(guān)組合電源的基本原理，如圖1所示。

2設(shè)計原理

電源監(jiān)控系統(tǒng)需對電源的各種模擬量，開關(guān)量進行精確測量，它包括：交流單元的電壓、電流、頻率，防雷模塊及交流分路的工作狀態(tài)；直流單元的系統(tǒng)合閘母線電壓、控制母線電壓，各控制母線分支電流及工作狀態(tài)；電池單元的電池組電壓和電流，單節(jié)電池電壓，電池溫度及充電和開關(guān)量（門窗開關(guān)、空調(diào)開關(guān)，火警、水警、煙警，有無人職守等）情況；絕緣檢測單元的各母線支路的絕緣狀態(tài)；每個整流模塊運行參數(shù)的瞬態(tài)變化情況；以及對市電切換，降壓硅堆調(diào)壓，電池管理（均充、浮充、限流、穩(wěn)流、放電測試、電池溫度補償、饋線電阻補償），多級電池深放電保護，用戶告警節(jié)點等進行實時控制；對各種運行參數(shù)進行分類設(shè)置，及時響應(yīng)遠程用戶的集中監(jiān)控的各種要求；同時還要考慮系統(tǒng)電氣設(shè)計的合理性，裝配和調(diào)試的可操作性，工程服務(wù)的易維護性。根據(jù)以上功能情況，特提出如下的測控方案，如圖2所示。

圖1智能高頻開關(guān)電源原理框圖

圖2電源監(jiān)控系統(tǒng)總線測控原理框圖

該電源監(jiān)控測試方案的明顯特點是：在測控總線BUS上外掛了交流檢測板，直流檢測板，電池檢測板，絕緣檢測板，環(huán)境檢測板，電氣控制板。這6種板可根據(jù)用戶需要進行取舍，并且在整機電氣設(shè)計時，這些板可根據(jù)設(shè)計人員的需要任意布局，克服了那種把所有信號線一律接到監(jiān)控器背部的各種接口上的弊端，從而大大提高了裝配調(diào)試和工程服務(wù)人員的工作效率，同時克服了各種檢測、控制板與監(jiān)控器以通信方式進行數(shù)據(jù)交流而導(dǎo)致測控實時性、可靠性大打折扣的弱點。

3硬件設(shè)計

3.1測控主板

測控主板以PCF80C552為核心，向外擴展了INS8250A通用異步收發(fā)器UART芯片，作為電源系統(tǒng)實現(xiàn)集中監(jiān)控或遠程監(jiān)控的通信接口。在圖3中，PCF80C552的PWM0、PWM1用作整流模塊內(nèi)部反饋環(huán)節(jié)的控制信號接口，MAX813作為單片機的自動復(fù)位電路，ATMEL93C66用作保存系統(tǒng)運行參數(shù)的EEPROM，在P0口的8位數(shù)據(jù)總線上擴展了4×4行列式鍵盤接口和240×128點陣式的液晶顯示接口。另外擴展了由D觸發(fā)器SN74HC574、反相器SN74HC04、施密特觸發(fā)器SN74HC14構(gòu)成的8位數(shù)據(jù)驅(qū)動接口，作為總線測控接口（插座X1的腳9～16）的8位輸入控制信號（DC0—DC7），總線測控接口插座X1的腳1、3、5分別是檢測板的＋15V、GND、－15V，腳7、8分別是檢測板輸出的數(shù)字信號Digital、模擬信號Analog，來自各檢測板的開關(guān)量Digital分時送入單片機的P1.0口。12位并行輸出的高速A/D轉(zhuǎn)換器MAX120，把每塊檢測板的Analog信號精確、高速、分時地轉(zhuǎn)換成12位Digital信號送入80C552的P5（低8位）和P4口（高4位），并且通過總線測控接口的8位輸入控制信號（DC0—DC7）可以對電氣控制板進行驅(qū)動觸發(fā)。所以，總線測控接口兼有單片機的前向通道和后向通道的雙重作用，實現(xiàn)模擬信號、數(shù)字信號的檢測和電氣控制。

3.2總線測控接口電路

如圖4所示，在測控總線上外掛了8塊檢測、控制板（特殊用戶需要多組電池，故設(shè)計了3塊電池檢測板），而且控制信號（DC0—DC7）與采樣信號（Analog、Digital）的硬件電路是各檢測板的共享通道。這就需要單片機能自動識別8塊檢測板。因此，必須對8位控制信號（DC0—DC7）進行譯碼。由模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)U5（SN74HC4051）和地址開關(guān)X2構(gòu)成8塊檢測板的板選地址電路，DC5、DC6、DC7分別送入U5的A、B、C口，以000～111選通X0～X7，在調(diào)試時，只須打開每塊檢測板上的X2地址開關(guān)中的一路即可起到板選功能（見表1）。然后，板選信號送入到與非門U8A、U8B、U8C（SN74HC10）單元，同時經(jīng)施密特觸發(fā)器U6B（SN74HC14）單元送入或門U7A（SN74HC4075）單元。如果板選信號為低電平（L）時，U7A、U8A、U8B、U8C的輸出信號為高電平（H），分別對模擬開關(guān)U1、U2、U3、U4的INH口進行封鎖，檢測板無信號輸出或輸入；如果板選信號為高電平（H），U7A和U8A、U8B、U8C的輸出只取決于DC3、DC4。當DC4、DC3為00時，只有U7A輸出低電平去選通U1，U8A、U8B、U8C輸出為H而使U2、U3、U4被鎖?。划擠C4、DC3為01時，只有U8A輸出L選通U2；當DC4，DC3為10時，U8B選通U3；當DC4、DC3為11時，U8C選通U4（見表2）。DC3與DC4經(jīng)過由小或非門（由U7B、U6E、V4組成）和大或非門（由V1、V2、U6A和R2構(gòu)成），實現(xiàn)對U5的選通控制。在U1～U4其中之一被選通時，通過DC0、DC1、DC2分別送入其A、B、C口，從而控制模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)對輸入信號X0～X7的數(shù)值進行采樣，或?qū)敵鲂盘朮0～X7進行控制（見表3）。U1、U2共采集16路數(shù)字信號DIG1～DIG16（如：防雷狀態(tài)，交流分路和直流分路開關(guān)狀態(tài)，母線絕緣狀態(tài)等），被選通的數(shù)字信號（Digital）分時地經(jīng)過總線測控接口的腳7輸入到CPU（PCF80C552）的P1.0

圖4總線測控接口電路

圖5直流、交流、環(huán)境檢測板的巡檢流程圖

圖6絕緣、電池檢測板的巡檢流程圖

表1DC5～DC7譯碼表

表2DC3、DC4譯碼表

表3DC0～DC2譯碼表

口；U3、U4共采集16路模擬信號AN1～AN16（如：電壓，電流，溫度，頻率等），被選通的模擬信號分時地經(jīng)過總線測控接口的腳8輸入到12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX120的AIN口，經(jīng)MAX120高速精確轉(zhuǎn)換后并行輸出的12位Digital信號送入到CPU的P5（低8位），P4（高4位）口?？傊?，DC7，DC6，DC5可選定8塊檢測板，DC4，DC3可選定4只模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)，DC2，DC1，DC0可選定每只模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)的8路信號，按照乘法原理，該總線測控接口通過DC0－DC7可以共檢測8×4×8即256路信號。表4列出了8塊檢測板的信號訪問地址，實際上，絕緣和電池檢測板的DIG1～DIG16為模擬量，電氣控制板的AN1～AN16為觸發(fā)數(shù)字量。

表4檢測板信號地址

4軟件設(shè)計

面對繁雜的測量數(shù)據(jù)和電氣控制，經(jīng)總線譯碼分址后，軟件設(shè)計具有明顯的規(guī)律性。限于篇幅，本文列出了針對圖4的適用于直流、交流、環(huán)境檢測板的巡檢子程序RdAux1的流程見圖5，及適用于絕緣、電池檢測板的巡檢子程序RdAux2的流程見圖6。電氣控制板的程序相對較簡單，只要根據(jù)功能條件和表4的繼電器地址編程，即可對相應(yīng)繼電器進行控制。

RdAux1匯編程序清單如下：

;內(nèi) 部 RAM的 有 關(guān) 寄 存 器 定 義

FLAG EQU 20H ;檢 測 板 安 裝 標 志 位

ACB BIT 0 ;交 流 板 使 能

DCB BIT 1 ;直 流 板 使 能

AMIB BIT 4 ;環(huán) 境 板 使 能

;外 部 RAM的 有 關(guān) 存 儲 區(qū) 定 義

AUXAD EQU 1000H ;巡 檢 緩 沖 區(qū) 首 址

ACBUF EQU AUXAD ;交 流 板 緩 沖 區(qū)

DCBUF EQU ACBUF＋ 48 ;直 流 板 緩 沖 區(qū)

AMBUF EQU DCBUF＋ 48 ;環(huán) 境 板 緩 沖 區(qū)

IOBUF EQU EC00 ;巡 檢 入 口 地 址 ， 用 于 輸 入 檢 測 量 地 址

;======巡 檢 子 程 序 ======

RdAux1: MOV A,FLAG

JB A.0,AC

JB A.1,DC

JB A.4,AMI

SJMP EndAux

AC: MOV R6,＃ HIGH(ACBUF) ;把 檢 測 板 的 緩 沖 區(qū) 首 址 暫 存 在 R6,R7中

MOV R7,＃ LOW(ACBUF)

SJMP RDAX

DC: MOV R6,＃ HIGH(DCBUF)

MOV R7,＃ LOW(DCBUF)

SJMP RDAX

AMI: MOV R6,＃ HIGH(AMBUF)

MOV R7,＃ LOW(AMBUF)

RDAX:MOV R2,＃ 16 ;16路 檢 測 量

MOV R4,＃ 0 ;R4存 放 檢 測 量 的 起 始 地 址

Digit: LCALL RdAux0 ;巡 檢 16路 數(shù) 字 量

MOV A,＃ 0

MOV C,P1.0

RLC A

MOV DPH,R6

MOV DPL,R7

MOVX @DPTR,A

INC DPTR

INC R4

DJNZ R2,Digit

MOV R2,＃ 16

Analog:LCALL RdAux0 ; 巡 檢 16路 模 擬 量

LCALL ADCVER ; MAX120的 A/D轉(zhuǎn) 換

MOV A,P5

MOVX @DPTR,A ;保 存 A/D低 8位

INC DPTR

MOV A,P4

ANL A,＃ 0FH

MOVX @DPTR,A ; 保 存 A/D高 4位

INC DPTR

INC R4

DJNZ R2,Analog

RET

RdAux0:MOV DPTR,＃ IOBUF ; 取 巡 檢 值

MOV A,R4

MOVX @DPTR,A

LCALL DELAY; 延 時 子 程 序

EndAux:RET

5結(jié)語

總線式測控技術(shù)是智能高頻開關(guān)組合電源達到高可靠性、智能化、可維護性的基礎(chǔ)，也是少人或無人值守的高效、可靠、低污染綠色電源的智能化核心技術(shù)之一。其顯著特點是：

1）滿足了各種型號電源的不同監(jiān)控方案的要求；

2）軟硬件的模塊化極大地方便了新產(chǎn)品的開發(fā)工作；

3）增強了電氣設(shè)計人員整機布局的靈活性；

4）提高了工程服務(wù)的維護效率。

參考文獻

[1]何立民．MCS－51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)置

與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1992．