便于集成的智能化電源模塊監(jiān)控系統(tǒng)研究

0 引言
    隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源越來(lái)越受到重視，尤其是在通信、電力領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，為了提高電源使用的方便性和簡(jiǎn)易性，電源的模塊化和集成化成為研究的重要課題。電源采用模塊化設(shè)計(jì)使得不同的系統(tǒng)可以根據(jù)自身的容量來(lái)選擇并聯(lián)模塊的數(shù)量，同時(shí)又保證了冗余度，便于維護(hù)和替換，實(shí)現(xiàn)丁“積木式”結(jié)構(gòu)，而針對(duì)這種新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，舊的電源監(jiān)控維護(hù)方式已無(wú)法滿足管理要求，因此，有必要采用“積木式”多重監(jiān)控系統(tǒng)。目前，一些文獻(xiàn)介紹了這種電源監(jiān)控方式，但是，監(jiān)控模塊沒(méi)有考慮到成本、體積等因素，而在將電源主功率和其他外圍電路集成時(shí)，這些因素是不得不考慮的。為了便于將監(jiān)控模塊與主功率模塊集成在一起，實(shí)現(xiàn)小型化，保證可靠性，必須設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉、便于大規(guī)模生產(chǎn)的監(jiān)控模塊。

1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    為了簡(jiǎn)化監(jiān)控模塊的電路，采用總線式設(shè)計(jì)方案，即將大量的數(shù)據(jù)處理放在系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控中，而模塊級(jí)監(jiān)控負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集(包括輸出電壓、電流)，以及提供各種保護(hù)功能并且進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控(包括過(guò)熱、過(guò)流、過(guò)壓、電網(wǎng)故障等)。由上位機(jī)通過(guò)通信總線對(duì)各個(gè)電源模塊進(jìn)行管理，監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 監(jiān)控模塊硬件功能設(shè)計(jì)
    單個(gè)監(jiān)控模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能包括監(jiān)測(cè)功能、控制功能和通信功能．監(jiān)測(cè)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(shù)據(jù)和有關(guān)狀態(tài)傳輸給系統(tǒng)上位機(jī)；控制是指接受上位機(jī)發(fā)出的調(diào)壓信號(hào)進(jìn)行模塊輸出電壓的調(diào)節(jié)，也可以通過(guò)面板上電位器進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)；通信是指模塊配備RS485接口與系統(tǒng)上位機(jī)通信。
    監(jiān)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(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，提高效率，為了擴(kuò)展軟開(kāi)關(guān)的負(fù)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。虛線框內(nèi)所示就是整個(gè)監(jiān)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(diào)壓信號(hào)、電源關(guān)閉信號(hào)和送給上位機(jī)的電源運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。

    微處理器是監(jiān)控的核心器件，奉系統(tǒng)采用PHILIPS公司的P87LPC768單片機(jī)，其內(nèi)部集成了PWM口、UART、WATCHDOG，該微處理器體積小(20腳)、功耗低、功能強(qiáng)大。PWM口可以用來(lái)進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，由于對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)不是很快的調(diào)速系統(tǒng)，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(hào)，對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣，充分利用了單片機(jī)內(nèi)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(nèi)部溫度變化較大，普通的模擬信號(hào)隔離(如采用線性光耦隔離)受溫度影響較大，因此先對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行采樣，得到數(shù)字信號(hào)，然后再通過(guò)光耦隔離送入單片機(jī)內(nèi)處理。電流采樣選用的是串行A／D轉(zhuǎn)換器(如MAX1109)，這樣一方面節(jié)省了單片機(jī)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(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)讀出和寫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(zhuǎn)換時(shí)鐘則可以采用A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的高頻時(shí)鐘，不會(huì)影響轉(zhuǎn)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(jī)，供上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控管理，同時(shí)也供模塊本身的液晶顯示用。為了節(jié)約單片機(jī)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(zhuǎn)換器(如74LS164)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。液晶可以采用模塊，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路，提高可靠性。同時(shí)為了節(jié)省單片機(jī)資源，可以讓液晶模塊工作在4位數(shù)據(jù)方式。
    監(jiān)控模塊的電壓調(diào)節(jié)方式有兩種：一是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，二是修改軟件里的設(shè)置進(jìn)行調(diào)節(jié)(系統(tǒng)級(jí)監(jiān)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(shè)計(jì)出可以產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波形的電路(如由555定時(shí)器組成的占空比可調(diào)的多諧振蕩電路)，第二種方式下，是利用PHILIPS的P87LPC768單片機(jī)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(shè)置的。
    監(jiān)控模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，由于是多級(jí)通信，必須要有地址來(lái)進(jìn)行相互區(qū)分，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行地址編碼，模塊的地址設(shè)定靠撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)控制，設(shè)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(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。通信采用485協(xié)議。
    采用上述設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)出來(lái)監(jiān)控模塊體積小，成本較低，功能又比較完善。

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由多個(gè)子程序構(gòu)成，便于調(diào)試和擴(kuò)展。為了提高采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減小誤差，在程序中采用了數(shù)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(cè)系統(tǒng)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(zhuǎn)換成電壓信號(hào)作為顯示并且通過(guò)通信總線輸送到上位機(jī)。由于模塊的電壓、電流顯示只是起到監(jiān)視作用，不作為測(cè)量，因此刷新的頻率不需要很高，基本上不加重MCU的負(fù)擔(dān)。

    檢測(cè)系統(tǒng)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(xiàn)故障，一旦確認(rèn)是出現(xiàn)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(fù)性故障，因此要求等待一定時(shí)間，當(dāng)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(fù)性故障，則不應(yīng)該再讓模塊重新啟動(dòng)。
    上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制主要通過(guò)通信總線，采用主從式多機(jī)通信方式，上位機(jī)首先處于方式二，發(fā)出地址幀，然后等待從機(jī)的回答信號(hào)，收到后轉(zhuǎn)為方式三，再發(fā)出指令。被呼叫的從機(jī)收到主機(jī)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(shù)據(jù)發(fā)出，然后等待指令。
    數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀。模塊地址編號(hào)從0到15，與模塊放置次序一一對(duì)應(yīng)。通信波特率為2400bps。

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