直流電源監(jiān)控系統(tǒng)

1、直流電源監(jiān)控系統(tǒng)直流電源監(jiān)控系統(tǒng)類別：電源技術(shù)基于C8051F021的直流電源監(jiān)控系統(tǒng) 呂勇軍，許曉峰 1C8051F021單片機(jī)簡(jiǎn)介 1.1CIP-51內(nèi)核 C8051F021使用Cygnal的專利CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容。采用流水線結(jié)構(gòu)，大大提高了指令運(yùn)行的速度，最大速度可達(dá)25MIPS。此外，還提供22個(gè)中斷源、片內(nèi)獨(dú)立工作的時(shí)鐘發(fā)生器、電源監(jiān)視器、看門狗等設(shè)備，以增加SOC芯片的功能。 1.2存儲(chǔ)器 C8051F021有64K字節(jié)的可在系統(tǒng)編程的FLASH程序存儲(chǔ)器，其地址為0x00000xFFFF。它有內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM256字節(jié)，其中高128字節(jié)分為兩部分地址空

2、間，一部分是RAM區(qū)，另外一部分是特殊功能寄存器區(qū)。通過(guò)不同的尋址方式來(lái)區(qū)別這兩個(gè)區(qū)(RAM采用間接尋址，特殊功能寄存器區(qū)采用直接尋址)。低128字節(jié)數(shù)據(jù)RAM既可用直接尋址又可以用間接尋址。C8051F021還有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間的4K字節(jié)的RAM塊。它還提供了64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，用于訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器映像的I/O器件。 1.3模擬通道 C8051F021內(nèi)部集成了一個(gè)功能強(qiáng)大的ADC子系統(tǒng)，它包括一個(gè)9通道的模擬多路開關(guān)、一個(gè)可編程增益放大器和一個(gè)100ksps的12位分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置一個(gè)1.2V、15ppm/的電壓基準(zhǔn)。該子系統(tǒng)還集成了跟蹤保持

3、電路和可編程窗口檢測(cè)器?？删幊淘鲆娣糯笃鞯脑鲆娣譃?級(jí)，最大增益為16，可由軟件編程實(shí)現(xiàn)。在模擬通道中，前8個(gè)通道用于對(duì)外部模擬信號(hào)的測(cè)量，第九通道接到內(nèi)部溫度傳感器，用來(lái)測(cè)量芯片溫度。通過(guò)軟件編程，可以設(shè)置外部輸入為單端輸入方式或差分輸入方式?？删幊檀翱跈z測(cè)器能夠自動(dòng)地、不停地將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與用戶編程所設(shè)置的極限值進(jìn)行比較，越限則立即通知控制器。 C8051F021有兩個(gè)12位電壓輸出方式的DAC，每個(gè)DAC的輸出均為0VVREF1LSB。 1.4數(shù)字通道 C8051F021具有4個(gè)8位的I/O端口，每個(gè)端口的引腳都可以由程序配置為推挽或漏極開路輸出。此外，還引入了數(shù)字交叉開關(guān)，即數(shù)字開關(guān)

4、網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)，可以將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給P0、P1和P2端口的各I/O引腳。用戶通過(guò)軟件編程控制該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，可以將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、A/D輸入端等配置后使其出現(xiàn)在所需的端口，因此使用戶能夠根據(jù)自己需要選擇通用端口和所需數(shù)字資源的組合。C8051F021具有片內(nèi)JTAG接口和邏輯。 1.5串行通訊設(shè)備 C8051F021內(nèi)部有兩個(gè)全雙工的異步串行口UART0和UART1。它們除了具有標(biāo)準(zhǔn)串行口的功能外，還具有幀錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)和地址識(shí)別硬件。還有一個(gè)完全符合系統(tǒng)管理總線標(biāo)準(zhǔn)的串行接口SMBus和一個(gè)串行外設(shè)接口SPI。這些串行總線都完全由硬件實(shí)現(xiàn)，且都可以產(chǎn)生中斷。它們不共

5、享定時(shí)器、中斷、或I/O端口，因此可以同時(shí)使用所有的串行口。 2直流高頻開關(guān)電源系統(tǒng) 2.1功能與特點(diǎn) (1)智能化管理蓄電池，嚴(yán)格按照蓄電池的充電曲線運(yùn)行，對(duì)蓄電池的均充和浮充以及切換全部自動(dòng)完成。(2)通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量電壓、電流、溫度等系統(tǒng)參數(shù)，監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。(3)采用大屏幕液晶顯示器，可顯示系統(tǒng)參數(shù)、故障狀態(tài)等信息；通過(guò)鍵盤還能夠進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與修改，并可進(jìn)行系統(tǒng)操作。(4)系統(tǒng)采用雙微機(jī)監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)，主監(jiān)控模塊處于運(yùn)行方式，而副監(jiān)控模塊則處于熱備用運(yùn)行方式，以提高系統(tǒng)的安全性能。(5)微機(jī)監(jiān)控模塊有RS485串行通訊接口，便于與RTU或綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)“遙測(cè)”“遙信”

6、等功能。(6)對(duì)輸出電流的響應(yīng)速度極高，增強(qiáng)了系統(tǒng)的負(fù)載適應(yīng)能力。 2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 智能直流高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。三相交流電源輸入到開關(guān)電源整流模塊，經(jīng)整流模塊輸出220V直流電壓；該電壓與蓄電池組并聯(lián)后提供合閘母線電壓；合閘母線電壓經(jīng)過(guò)調(diào)壓模塊的調(diào)整后輸出控制母線電壓。開關(guān)電源整流模塊利用高頻開關(guān)電源技術(shù)實(shí)現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)換，它的輸出電壓可由外部控制，也就是說(shuō)它是輸出電壓可以隨時(shí)調(diào)節(jié)的整流模塊，這就便于利用微機(jī)控制它的輸出電壓的大小。智能系統(tǒng)的目的就是使直流系統(tǒng)中的直流母線電壓能夠時(shí)刻滿足系統(tǒng)的要求，對(duì)系統(tǒng)的故障能夠自動(dòng)檢測(cè)并發(fā)出告警信號(hào)，以保證系統(tǒng)工作的可靠性。該系統(tǒng)的控制核心

7、是微機(jī)監(jiān)控模塊，它實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流輸入電壓、各直流母線電壓、充電機(jī)電流、蓄電池電流及蓄電池溫度等模擬信號(hào)，并依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定值來(lái)判斷系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)行必要的操作與調(diào)整。諸如蓄電池的均、浮充之間的切換與控制、整流模塊輸出電壓的調(diào)整、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的顯示、故障狀態(tài)顯示及報(bào)警等。電池監(jiān)測(cè)模塊完成對(duì)蓄電池組中所有單只蓄電池端電壓的測(cè)量后，通過(guò)RS485串行接口將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到微機(jī)監(jiān)控模塊。 3微機(jī)監(jiān)控模塊 3.1微機(jī)監(jiān)控模塊功能 (1)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。(2)系統(tǒng)控制及保護(hù)。(3)蓄電池的智能管理。(4)系統(tǒng)通訊。 3.2監(jiān)控模塊的工作原理 圖2是微機(jī)監(jiān)控模塊的原理框圖。以C8051F021測(cè)量輸入的模擬信號(hào)和輸出調(diào)壓模

8、擬信號(hào)。根據(jù)被測(cè)信號(hào)是否需要隔離來(lái)區(qū)分輸入信號(hào)，分別處理。其中交流電壓信號(hào)取自交流電壓互感器，直流電流取自霍爾電流互感器，測(cè)溫選用集成溫度傳感器AD590，對(duì)上述信號(hào)測(cè)量時(shí)不需要隔離，進(jìn)行適當(dāng)放大處理即可進(jìn)入C8051F021的A/D通道。測(cè)量直流母線電壓采用電阻取樣，由于取得的被測(cè)信號(hào)與直流系統(tǒng)在電氣上是相連的，因此，為保證測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與安全性必須對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行隔離。本模塊中對(duì)這些通道采用了高精度的線性光電耦合器隔離，隔離后的信號(hào)再經(jīng)放大進(jìn)入A/D通道。輸出調(diào)壓信號(hào)由C8051F021中的D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，D/A輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大之后驅(qū)動(dòng)調(diào)壓模塊，調(diào)整直流母線電壓。除了上述模擬信號(hào)的

9、測(cè)量與控制功能外，單片機(jī)還接受諸如模塊故障、風(fēng)機(jī)狀態(tài)等開關(guān)量信號(hào)輸入，這些信號(hào)都是通過(guò)中斷響應(yīng)的。單片機(jī)根據(jù)所測(cè)量的各種信號(hào)及系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定值，作出判斷，并給出相應(yīng)的控制信號(hào)輸出，包括通過(guò)D/A輸出調(diào)壓信號(hào)和經(jīng)驅(qū)動(dòng)后控制繼電器輸出相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)。此外，單片機(jī)還負(fù)責(zé)管理大屏幕液晶顯示器，顯示文種為中文，顯示方式為下拉式菜單，顯示內(nèi)容包括主菜單、測(cè)量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)告警等子菜單；負(fù)責(zé)管理鍵盤，響應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的操作和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與修改。本監(jiān)控模塊利用C8051F021具有的兩個(gè)異步串行口分別完成對(duì)上位機(jī)的通訊和與監(jiān)測(cè)蓄電池的下位機(jī)的通訊。 3.3主副監(jiān)控的切換 微機(jī)副監(jiān)控模塊的功能與主監(jiān)控模塊基

10、本相同。在硬件的配置上，除了顯示器采用LED數(shù)碼管而不是大屏幕液晶顯示器之外，基本上與主監(jiān)控模塊相同。 對(duì)副監(jiān)控所有的系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置均與主監(jiān)控相同。正常工作時(shí)，副監(jiān)控處于非工作狀態(tài)，它的顯示屏幕上顯示待機(jī)狀態(tài)。但它實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所有模擬信號(hào)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行工作狀態(tài)的判定，與主監(jiān)控不同之處是它不顯示任何測(cè)量結(jié)果與狀態(tài)，且不參與系統(tǒng)的控制。此時(shí)由主監(jiān)控負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)，而對(duì)系統(tǒng)控制權(quán)的切換卻由副監(jiān)控掌握。當(dāng)直流母線電壓出現(xiàn)越限并且越限時(shí)間超過(guò)規(guī)定范圍仍未能恢復(fù)正常時(shí)，副監(jiān)控便奪過(guò)對(duì)系統(tǒng)的控制權(quán)，實(shí)行對(duì)系統(tǒng)的控制，同時(shí)發(fā)出主監(jiān)控異常信號(hào)。待主監(jiān)控恢復(fù)正常后，人為控制將監(jiān)控權(quán)切換到主監(jiān)控。 3.4監(jiān)控模塊的軟

11、件設(shè)計(jì) 監(jiān)控模塊的軟件設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言，在設(shè)計(jì)時(shí)，首先實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)煉的主程序，然后在此基礎(chǔ)上，把所有要完成的功能編制成相應(yīng)的任務(wù)模塊。根據(jù)模塊各自的特點(diǎn)，或者由系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，或者在響應(yīng)中斷后執(zhí)行。 主要軟件模塊有： (1)系統(tǒng)自整定模塊：其功能是完成系統(tǒng)的自動(dòng)整定，包括整機(jī)硬件設(shè)備的自檢、自診斷、繼電器狀態(tài)的設(shè)定等。 (2)數(shù)據(jù)采集及處理模塊：主要功能是完成交、直流電流、電壓信號(hào)、溫度等模擬信號(hào)的采樣并計(jì)算出其相應(yīng)的數(shù)值。 (3)計(jì)算和調(diào)整模塊：根據(jù)采集的模擬信號(hào)和輸入的開關(guān)量，通過(guò)計(jì)算、分析，確定是否需要調(diào)壓以及調(diào)整方向和它的步長(zhǎng)值。輸出控制調(diào)整信號(hào)，控制調(diào)壓模塊調(diào)整輸出電壓。根據(jù)分析結(jié)果，輸出相應(yīng)的開關(guān)量。 (4)鍵盤處理模塊和顯示模塊：鍵盤處理模塊完成按鍵的識(shí)別功能，并在確認(rèn)有效按鍵后調(diào)用相應(yīng)按鍵功能函數(shù)進(jìn)行處理。顯示模塊則負(fù)責(zé)管理顯示主菜單以及各種子菜單，并將顯示緩沖區(qū)內(nèi)的內(nèi)容按要求顯示出來(lái)。 (5)通訊模塊：完成異步串行口接口管理功能，串口1負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的控制命令，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)及狀態(tài)。串口