基于ARM Cortex-M3的小型化遠(yuǎn)程監(jiān)控智能電源系統(tǒng)

傳統(tǒng)的電源維護(hù)采用的是人工手動(dòng)式維護(hù)管理模式，而智能電源監(jiān)控系統(tǒng)以嵌入式技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)向智能化、自動(dòng)化管理模式的轉(zhuǎn)變。

隨著當(dāng)代科技的日益發(fā)展，數(shù)量巨大的各類設(shè)備的電源維護(hù)管理需要投入大量的人力、物力，像通信/電力設(shè)施所處環(huán)境越來越復(fù)雜，人煙稀少、交通不便、危險(xiǎn)度高等都增大了維護(hù)的難度和費(fèi)用。這對(duì)電源設(shè)備的監(jiān)控管理提出了更高的要求。電源監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)系統(tǒng)中各狀態(tài)量進(jìn)行監(jiān)視，還必須能對(duì)各供電支路進(jìn)行控制和管理。維護(hù)管理人員可遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、控制等維護(hù)工作，并可利用友好的人機(jī)界面方便地得到需要的信息。

數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)出了傳統(tǒng)技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，整個(gè)電源監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)采樣、處理、控制、通信等均可通過數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。全數(shù)字化的控制技術(shù)可有效縮小設(shè)備的體積，降低設(shè)備的成本，但同時(shí)大大提高設(shè)備的可靠性、智能化和用戶體驗(yàn)。隨著模塊智能化程度的提高，新型電源監(jiān)控系統(tǒng)的維修性也得到了提高。

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是電源監(jiān)控系統(tǒng)的必然選擇。一方面是因?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有良好的可移植性和較高的可靠性;另一方面是因?yàn)殡S著電源監(jiān)控系統(tǒng)性能的不斷提升，僅靠傳統(tǒng)的單片機(jī)已無法適應(yīng)新的需求。ARM作為當(dāng)今嵌入式技術(shù)的代表，不僅具有上述的所有優(yōu)勢，且成本很低，具有很高的性價(jià)比。本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用了TI公司生產(chǎn)的Luminary Cortex-M3系列ARM中的LM3S9B96芯片。

1、工作原理

圖1以8路用電設(shè)備的電源監(jiān)控為例，給出了監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖。

圖1 8路電源監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

8路設(shè)備均從總電源處取電，各供電支路的工作方式完全一樣。電源監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)之后，主芯片處于上電復(fù)位狀態(tài)，其GPIOF的8個(gè)I/O引腳處于低電平，此時(shí)電控開關(guān)保持關(guān)斷狀態(tài)，即供電支路處于斷電狀態(tài)。當(dāng)主芯片內(nèi)核和各外設(shè)初始化成功后，通過其內(nèi)部嵌入式程序控制GPIOF的8個(gè)I/O引腳輸出變?yōu)楦唠娖剑鄳?yīng)地各供電支路處于通電狀態(tài)，開始正常工作。

采集模塊包含電流傳感器和分壓電路，電流傳感器可測得流過供電支路的電流值，分壓電路將供電支路的電壓值調(diào)整到主芯片ADC采樣的范圍內(nèi)，二者均為模擬值。檢測值經(jīng)過AD采樣后，可在主芯片內(nèi)運(yùn)算得到各供電支路的電流和電壓值，并與預(yù)設(shè)的電流和電壓門限進(jìn)行比較。若在門限范圍內(nèi)則表示該供電支路工作正常，而在門限范圍外則表示該供電支路發(fā)生了過流、過壓、欠壓等異常，主芯片通過將GPIOF相應(yīng)引腳的輸出變?yōu)榈碗娖絹碜詣?dòng)給該支路斷電，在經(jīng)過檢查排除故障后可通過上位機(jī)下發(fā)指令控制該供電支路通電。

上位機(jī)與嵌入式下位機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，上位機(jī)可向下位機(jī)下發(fā)指令控制指定供電支路的通斷，也可設(shè)置各供電支路的電流和電壓門限值。每隔一定的時(shí)間，各供電支路的電流、電壓值及各種正常/異常狀態(tài)由下位機(jī)發(fā)送至上位機(jī)，通過上位機(jī)顯控軟件可觀察各供電支路的工作狀態(tài)。

2、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1核心模塊

核心模塊采用TI公司生產(chǎn)的LuminaryCortex-M3系列ARM中的LM3S9B96芯片，該芯片具有80MHz的運(yùn)行速度，內(nèi)部集成了大容量的256KB單周期FlashROM和96KB單周期SRAM，具有16通道10bit分辨率的AD采樣模塊、支持;LwIP協(xié)議的10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)模塊和豐富的I/O接口。

LM3S9B96有65個(gè)I/O接口，設(shè)計(jì)時(shí)選取GPIOF組8個(gè)I/O接口作為控制引腳;各供電支路需要采集電壓和電流兩種值，16通道AD采樣模塊可滿足8路供電支路的采樣需求;集成的MAC+PHY外設(shè)也可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的以太網(wǎng)通信;大容量的內(nèi)置存儲(chǔ)空間為復(fù)雜的程序提供了合適的平臺(tái)。根據(jù)上述分析，LM3S9B96芯片非常適合本監(jiān)控系統(tǒng)，并可極大簡化電路設(shè)計(jì)。

2.2控制模塊

各供電支路控制模塊的設(shè)計(jì)如圖2所示。根據(jù)各支路設(shè)備需要的電流值選擇合適的繼電器作為電子開關(guān)，并且在控制引腳和繼電器間加入光耦隔離保護(hù)及供電通斷指示燈。

當(dāng)主芯片GPIOF控制引腳為低電平時(shí)，LED燈滅，繼電器3腳輸入與5腳輸出斷開，該供電支路斷電;當(dāng)主芯片GPIOF控制引腳為高電平時(shí)，光耦輸出為低電平，LED燈亮，繼電器3腳輸入與5腳輸出導(dǎo)通，該供電支路通電。

圖2供電支路控制模塊設(shè)計(jì)圖

2.3采集模塊

各供電支路采集模塊的設(shè)計(jì)如圖3所示。電流傳感器串聯(lián)在電源回路內(nèi)，其內(nèi)部霍爾傳感器會(huì)將支路電流產(chǎn)生的磁場以電壓的形式輸出至主芯片的AD采樣模塊，根據(jù)廠家提供的手冊(cè)可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電流值。電壓值的采集電路采用電阻分壓電路的形式，采樣電壓值亦被輸出至AD采樣模塊，通過簡單換算即可得到實(shí)際電壓值。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)用電設(shè)備的電流和電壓值可靈活的選擇合適的電流傳感器和分壓電路阻值。需要注意的是，輸出到AD采樣模塊的電流和電壓值必須在其 0-3V的采樣范圍內(nèi)。

圖3供電支路采樣模塊設(shè)計(jì)圖

2.4通信模塊

通信模塊用來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，本設(shè)計(jì)中下位機(jī)的以太網(wǎng)通信依靠主芯片內(nèi)置的MAC+PHY來實(shí)現(xiàn)，該模塊支持10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)。

由于嵌入式處理器內(nèi)部的運(yùn)算及存儲(chǔ)資源相對(duì)PC來說非常有限，因此就必須在資源受限的情況下實(shí)現(xiàn)及處理Internet協(xié)議。LM3S9B96就是在這樣的條件下占用盡量小的資源實(shí)現(xiàn)一個(gè)輕型的TCP/IP協(xié)議棧，該協(xié)議棧叫做LwIP。與許多其它的TCP/IP實(shí)現(xiàn)一樣，LwIP也是以分層的協(xié)議為參照，每一個(gè)協(xié)議作為一個(gè)模塊被實(shí)現(xiàn)。LwIP由TCP/IP實(shí)現(xiàn)模塊、操作系統(tǒng)模擬層、緩沖語內(nèi)存管理子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)及一組Internet校驗(yàn)和計(jì)算函數(shù)組成。[!--empirenews.page--]

為便于二次開發(fā)，TI官方提供了豐富的底層驅(qū)動(dòng)程序及詳細(xì)API說明，本設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)上編寫了整個(gè)以太網(wǎng)通信程序。以太網(wǎng)通信功能的實(shí)現(xiàn)，使得本電源監(jiān)控系統(tǒng)除了具備智能化外，還具備了遠(yuǎn)程監(jiān)控的能力，極大的拓展了該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

2.5顯控模塊

顯控模塊實(shí)在上位機(jī)開發(fā)的軟件功能模塊，本設(shè)計(jì)中該模塊的開發(fā)基于VC++6.0。顯控主要實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信控制、各供電支路電流和電壓門限值在線設(shè)置及采集值的可視化顯示。

設(shè)計(jì)過程中必須確定顯控模塊與下位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)格式，上位機(jī)下發(fā)的指令有更改門限值、查詢門限值、更改通斷狀態(tài)、信道測試等，下位機(jī)上發(fā)的參數(shù)有更改門限值應(yīng)答、返回當(dāng)前門限值、通斷狀態(tài)返回、異常狀態(tài)返回和信道測試等。這些指令確保了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)處于閉環(huán)狀態(tài)，在任何時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)和檢測值都是可視的，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可視化和可靠性。

3、結(jié)論

本文中描述的電源監(jiān)控系統(tǒng)已實(shí)際應(yīng)用在多個(gè)項(xiàng)目中，包括一些環(huán)境較惡劣的場合，整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并且借助以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能化監(jiān)控。另外，本設(shè)計(jì)也存在可以改進(jìn)和提高的地方。首先是提高電流和電壓值采樣的精度，從而滿足一些對(duì)供電電源精度要求極高的領(lǐng)域;其次是可以考慮加入無線通信功能，從而減少系統(tǒng)布線的復(fù)雜度并拓寬應(yīng)用場合。隨著技術(shù)的不斷完善，該類電源監(jiān)控系統(tǒng)必將在更多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。