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

摘要：針對(duì)高效、低污染的綠色電源設(shè)計(jì)之需要，高可靠、易維護(hù)、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(cè)控技術(shù)在智能電源監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)原理，并提供了總線測(cè)控接口的硬件電路與軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：電源；總線式測(cè)控；單片機(jī)

如何對(duì)電源產(chǎn)品進(jìn)行可靠、便捷的測(cè)控，是智能高頻開(kāi)關(guān)電源的核心問(wèn)題。電源測(cè)控涉及到數(shù)據(jù)的測(cè)量、控制、通信和人機(jī)對(duì)話等技術(shù)，其中測(cè)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(duì)這一點(diǎn)，著重探討了一種總線式測(cè)控方案在智能高頻開(kāi)關(guān)組合電源中的具體應(yīng)用。

智能高頻開(kāi)關(guān)組合電源，一般采用雙路市電通過(guò)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(kāi)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(jí)），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(kāi)關(guān)組合電源的基本原理，如圖1所示。

2設(shè)計(jì)原理

電源監(jiān)控系統(tǒng)需對(duì)電源的各種模擬量，開(kāi)關(guān)量進(jìn)行精確測(cè)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(kāi)關(guān)量（門(mén)窗開(kāi)關(guān)、空調(diào)開(kāi)關(guān)，火警、水警、煙警，有無(wú)人職守等）情況；絕緣檢測(cè)單元的各母線支路的絕緣狀態(tài)；每個(gè)整流模塊運(yùn)行參數(shù)的瞬態(tài)變化情況；以及對(duì)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(cè)試、電池溫度補(bǔ)償、饋線電阻補(bǔ)償），多級(jí)電池深放電保護(hù)，用戶告警節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；對(duì)各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)設(shè)置，及時(shí)響應(yīng)遠(yuǎn)程用戶的集中監(jiān)控的各種要求；同時(shí)還要考慮系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的合理性，裝配和調(diào)試的可操作性，工程服務(wù)的易維護(hù)性。根據(jù)以上功能情況，特提出如下的測(cè)控方案，如圖2所示。

圖1智能高頻開(kāi)關(guān)電源原理框圖

圖2電源監(jiān)控系統(tǒng)總線測(cè)控原理框圖

該電源監(jiān)控測(cè)試方案的明顯特點(diǎn)是：在測(cè)控總線BUS上外掛了交流檢測(cè)板，直流檢測(cè)板，電池檢測(cè)板，絕緣檢測(cè)板，環(huán)境檢測(cè)板，電氣控制板。這6種板可根據(jù)用戶需要進(jìn)行取舍，并且在整機(jī)電氣設(shè)計(jì)時(shí)，這些板可根據(jù)設(shè)計(jì)人員的需要任意布局，克服了那種把所有信號(hào)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(shí)克服了各種檢測(cè)、控制板與監(jiān)控器以通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交流而導(dǎo)致測(cè)控實(shí)時(shí)性、可靠性大打折扣的弱點(diǎn)。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1測(cè)控主板

測(cè)控主板以PCF80C552為核心，向外擴(kuò)展了INS8250A通用異步收發(fā)器UART芯片，作為電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控或遠(yuǎn)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(hào)接口，MAX813作為單片機(jī)的自動(dòng)復(fù)位電路，ATMEL93C66用作保存系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的EEPROM，在P0口的8位數(shù)據(jù)總線上擴(kuò)展了4×4行列式鍵盤(pán)接口和240×128點(diǎn)陣式的液晶顯示接口。另外擴(kuò)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(dòng)接口，作為總線測(cè)控接口（插座X1的腳9～16）的8位輸入控制信號(hào)（DC0—DC7），總線測(cè)控接口插座X1的腳1、3、5分別是檢測(cè)板的＋15V、GND、－15V，腳7、8分別是檢測(cè)板輸出的數(shù)字信號(hào)Digital、模擬信號(hào)Analog，來(lái)自各檢測(cè)板的開(kāi)關(guān)量Digital分時(shí)送入單片機(jī)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(cè)板的Analog信號(hào)精確、高速、分時(shí)地轉(zhuǎn)換成12位Digital信號(hào)送入80C552的P5（低8位）和P4口（高4位），并且通過(guò)總線測(cè)控接口的8位輸入控制信號(hào)（DC0—DC7）可以對(duì)電氣控制板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)觸發(fā)。所以，總線測(cè)控接口兼有單片機(jī)的前向通道和后向通道的雙重作用，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)和電氣控制。

3.2總線測(cè)控接口電路

如圖4所示，在測(cè)控總線上外掛了8塊檢測(cè)、控制板（特殊用戶需要多組電池，故設(shè)計(jì)了3塊電池檢測(cè)板），而且控制信號(hào)（DC0—DC7）與采樣信號(hào)（Analog、Digital）的硬件電路是各檢測(cè)板的共享通道。這就需要單片機(jī)能自動(dòng)識(shí)別8塊檢測(cè)板。因此，必須對(duì)8位控制信號(hào)（DC0—DC7）進(jìn)行譯碼。由模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)U5（SN74HC4051）和地址開(kāi)關(guān)X2構(gòu)成8塊檢測(cè)板的板選地址電路，DC5、DC6、DC7分別送入U(xiǎn)5的A、B、C口，以000～111選通X0～X7，在調(diào)試時(shí)，只須打開(kāi)每塊檢測(cè)板上的X2地址開(kāi)關(guān)中的一路即可起到板選功能（見(jiàn)表1）。然后，板選信號(hào)送入到與非門(mén)U8A、U8B、U8C（SN74HC10）單元，同時(shí)經(jīng)施密特觸發(fā)器U6B（SN74HC14）單元送入或門(mén)U7A（SN74HC4075）單元。如果板選信號(hào)為低電平（L）時(shí)，U7A、U8A、U8B、U8C的輸出信號(hào)為高電平（H），分別對(duì)模擬開(kāi)關(guān)U1、U2、U3、U4的INH口進(jìn)行封鎖，檢測(cè)板無(wú)信號(hào)輸出或輸入；如果板選信號(hào)為高電平（H），U7A和U8A、U8B、U8C的輸出只取決于DC3、DC4。當(dāng)DC4、DC3為00時(shí)，只有U7A輸出低電平去選通U1，U8A、U8B、U8C輸出為H而使U2、U3、U4被鎖住；當(dāng)DC4、DC3為01時(shí)，只有U8A輸出L選通U2；當(dāng)DC4，DC3為10時(shí)，U8B選通U3；當(dāng)DC4、DC3為11時(shí)，U8C選通U4（見(jiàn)表2）。DC3與DC4經(jīng)過(guò)由小或非門(mén)（由U7B、U6E、V4組成）和大或非門(mén)（由V1、V2、U6A和R2構(gòu)成），實(shí)現(xiàn)對(duì)U5的選通控制。在U1～U4其中之一被選通時(shí)，通過(guò)DC0、DC1、DC2分別送入其A、B、C口，從而控制模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)對(duì)輸入信號(hào)X0～X7的數(shù)值進(jìn)行采樣，或?qū)敵鲂盘?hào)X0～X7進(jìn)行控制（見(jiàn)表3）。U1、U2共采集16路數(shù)字信號(hào)DIG1～DIG16（如：防雷狀態(tài)，交流分路和直流分路開(kāi)關(guān)狀態(tài)，母線絕緣狀態(tài)等），被選通的數(shù)字信號(hào)（Digital）分時(shí)地經(jīng)過(guò)總線測(cè)控接口的腳7輸入到CPU（PCF80C552）的P1.0

圖4總線測(cè)控接口電路

圖5直流、交流、環(huán)境檢測(cè)板的巡檢流程圖

圖6絕緣、電池檢測(cè)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(hào)AN1～AN16（如：電壓，電流，溫度，頻率等），被選通的模擬信號(hào)分時(shí)地經(jīng)過(guò)總線測(cè)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(hào)送入到CPU的P5（低8位），P4（高4位）口。總之，DC7，DC6，DC5可選定8塊檢測(cè)板，DC4，DC3可選定4只模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，DC2，DC1，DC0可選定每只模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的8路信號(hào)，按照乘法原理，該總線測(cè)控接口通過(guò)DC0－DC7可以共檢測(cè)8×4×8即256路信號(hào)。表4列出了8塊檢測(cè)板的信號(hào)訪問(wèn)地址，實(shí)際上，絕緣和電池檢測(cè)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(cè)板信號(hào)地址

4軟件設(shè)計(jì)

面對(duì)繁雜的測(cè)量數(shù)據(jù)和電氣控制，經(jīng)總線譯碼分址后，軟件設(shè)計(jì)具有明顯的規(guī)律性。限于篇幅，本文列出了針對(duì)圖4的適用于直流、交流、環(huán)境檢測(cè)板的巡檢子程序RdAux1的流程見(jiàn)圖5，及適用于絕緣、電池檢測(cè)板的巡檢子程序RdAux2的流程見(jiàn)圖6。電氣控制板的程序相對(duì)較簡(jiǎn)單，只要根據(jù)功能條件和表4的繼電器地址編程，即可對(duì)相應(yīng)繼電器進(jìn)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(cè) 板 安 裝 標(biāo) 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(chǔ) 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(cè) 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(cè) 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(cè) 量

MOV R4,＃ 0 ;R4存 放 檢 測(cè) 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(shí) 子 程 序

EndAux:RET

5結(jié)語(yǔ)

總線式測(cè)控技術(shù)是智能高頻開(kāi)關(guān)組合電源達(dá)到高可靠性、智能化、可維護(hù)性的基礎(chǔ)，也是少人或無(wú)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(diǎn)是：

1）滿足了各種型號(hào)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(kāi)發(fā)工作；

3）增強(qiáng)了電氣設(shè)計(jì)人員整機(jī)布局的靈活性；

4）提高了工程服務(wù)的維護(hù)效率。

參考文獻(xiàn)

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