大功率開關(guān)電源系統(tǒng)通信模塊設(shè)計(jì)

2002年11月A版

摘    要: 介紹了一種多臺(tái)大功率開關(guān)電源裝置與計(jì)算機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)方案，并采用了RS-232C和RS-485雙串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)采樣和設(shè)置電源輸出電壓、輸出電流和各個(gè)開關(guān)量的狀態(tài)。
關(guān)鍵詞: 通信；監(jiān)測(cè)；大功率開關(guān)電源

引言
近年來(lái)，開關(guān)電源的技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，對(duì)開關(guān)電源的智能化要求也越來(lái)越高。電源監(jiān)控系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)智能化要求的一部分，也越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用。電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是通過電源與計(jì)算機(jī)的通信模塊完成與監(jiān)控中心的信息交換，接收監(jiān)控中心的各種監(jiān)測(cè)與遙控命令，并將電源的各種狀態(tài)信息反饋給監(jiān)控中心。本文所介紹的通信模塊實(shí)際中用于筆者所研制的多臺(tái)12V，5000A電鍍用開關(guān)電源與計(jì)算機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多臺(tái)電鍍電源的遠(yuǎn)程集中控制。該通信模塊與計(jì)算機(jī)通信的主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與電源的主從總線1：N通信方式，并且采用了RS-232C和RS-485雙串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口。


圖1 通信模塊電路結(jié)構(gòu)圖


圖2  主從總線1：N通信方式示意圖


圖3  請(qǐng)求命令包格式

通信模塊電路設(shè)計(jì)
該通信模塊采用的控制芯片是MCS-51系列單片機(jī)80C52，通信模塊電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。計(jì)算機(jī)通過該通信模塊完成與電源間的通信，可以實(shí)時(shí)讀取電源的輸出電壓、輸出電流值以及輸出過壓、輸入過壓、輸入欠壓、過流、過溫、運(yùn)行/停止等8路開關(guān)量的狀態(tài)值，并可以在輸出值允許的范圍內(nèi)任意設(shè)置電源的輸出電壓、輸出電流值和復(fù)位、合閘、分閘、機(jī)控/本控4路開關(guān)量的狀態(tài)值。從通信模塊電路結(jié)構(gòu)框圖可以看出，如果計(jì)算機(jī)需要讀取電源模塊的輸出電壓、輸出電流值和開關(guān)量的狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)收到請(qǐng)求命令后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX182對(duì)電源的輸出電壓、輸出電流兩路模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同時(shí)表征電源運(yùn)行狀態(tài)的8路開關(guān)量從雙總線收發(fā)器74LS245讀入送至單片機(jī)寄存器存貯。單片機(jī)將所有處理后的數(shù)據(jù)按預(yù)定數(shù)據(jù)傳送格式發(fā)送給計(jì)算機(jī)輸出顯示。計(jì)算機(jī)需要設(shè)置電源的輸出電壓、輸出電流值和4路開關(guān)量的狀態(tài)時(shí)，計(jì)算機(jī)將設(shè)置好的數(shù)據(jù)按預(yù)定格式發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)接收處理后啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換芯片MAX532和輸出鎖存器74LS573將處理后的輸出電壓、輸出電流值和開關(guān)量狀態(tài)值輸出給電源。通信模塊從而實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對(duì)電源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遙控。為了保證設(shè)計(jì)人員的安全和防止通信模塊受電源影響而損壞，電源與通信模塊之間的信號(hào)傳遞均通過光耦隔離。
為了確保電源與計(jì)算機(jī)在不同應(yīng)用場(chǎng)合的準(zhǔn)確通信，該通信模塊采用了RS-232C和RS-485雙串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口。RS-232C適于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場(chǎng)合，其邏輯電平對(duì)地是對(duì)稱的，與TTL、MOS邏輯電平完全不同。邏輯0電平規(guī)定為+5V~＋15V之間，邏輯1電平為－5V~－15V之間，模塊中采用了MAX232驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口的主要缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率慢、傳送距離短，抗干擾能力差。模塊配備RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口使得任何含有串行通信口的計(jì)算機(jī)均可以實(shí)現(xiàn)和電源的通信,具有廣泛的適應(yīng)性。RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口為差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，它通過傳輸線驅(qū)動(dòng)器把邏輯電平變換為電位差，完成信號(hào)的傳遞。RS-485具有傳輸速率快、傳送距離長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，模塊中采用了MAX485驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX485輸出的差分信號(hào)需經(jīng)RS-232與RS-485轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后才能送至計(jì)算機(jī)，所以所有使用RS-485與電源進(jìn)行通信的計(jì)算機(jī)必須安裝232/485轉(zhuǎn)換接口卡。本模塊配備的RS-485通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口使得通信模塊可以適用于環(huán)境干擾比較大的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)距離通信。


圖4  通信模塊程序框圖

主從總線1:N通信方式
要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與電源間的正常通信，必須制定正確的通信協(xié)議。該模塊設(shè)定的通信協(xié)議優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)電源的主從總線1:N通信方式。在總線結(jié)構(gòu)上有一個(gè)主站、即計(jì)算機(jī)，N個(gè)電源做為總線結(jié)構(gòu)上的從站。
主從總線1:N通信方式可以采用多種通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)總線使用權(quán)的分配，本系統(tǒng)使用地址查詢方式，主從總線1:N通信方式示意圖如圖2所示。系統(tǒng)給每個(gè)電源分配唯一的一個(gè)地址號(hào)，計(jì)算機(jī)分配一個(gè)固定的地址號(hào)。當(dāng)計(jì)算機(jī)需要和某臺(tái)電源建立通信時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出一個(gè)含有該電源地址號(hào)的請(qǐng)求命令包。掛在總線上的所有電源一直處于等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，計(jì)算機(jī)所發(fā)出的請(qǐng)求命令包將被所有的電源所接收。每個(gè)電源將接收到的請(qǐng)求命令包中所包含的電源地址號(hào)與本模塊的地址號(hào)相比較，只有地址號(hào)與計(jì)算機(jī)所發(fā)出的請(qǐng)求命令包中所包含的地址號(hào)相同的電源才與計(jì)算機(jī)建立通信，響應(yīng)計(jì)算機(jī)所發(fā)出的請(qǐng)求命令。其它地址號(hào)不相同的電源將拒絕響應(yīng)計(jì)算機(jī)的請(qǐng)求命令，繼續(xù)保持接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，等待響應(yīng)計(jì)算機(jī)發(fā)出的下一個(gè)請(qǐng)求命令包。系統(tǒng)中的這種地址查詢方式實(shí)現(xiàn)了任何時(shí)候總線上最多只有一臺(tái)電源與計(jì)算機(jī)通信，其它電源處于等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而有效的避免了總線使用權(quán)的沖突。
計(jì)算機(jī)請(qǐng)求命令包格式如圖3所示，該命令包采用的是異步通訊格式。4個(gè)字節(jié)的起始符和結(jié)束符分別用來(lái)表征命令包的開始和結(jié)束，目的站地址就是計(jì)算機(jī)所希望建立通信的電源地址號(hào)，源地址是計(jì)算機(jī)地址號(hào)。命令碼是計(jì)算機(jī)對(duì)電源所發(fā)出的命令信息，用來(lái)表征計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令是希望讀取電源的輸出電壓、輸出電流值以及開關(guān)量的狀態(tài)值還是希望設(shè)置電源的輸出電壓、輸出電流值以及開關(guān)量的狀態(tài)值。校驗(yàn)碼和信息長(zhǎng)度是用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否正確、有無(wú)數(shù)據(jù)丟失的信息量。數(shù)據(jù)信息是命令包的主要部分，包含命令包所要傳送的輸出電壓、輸出電流值和開關(guān)量的狀態(tài)值等數(shù)據(jù)信息（僅設(shè)置電源狀態(tài)命令包含有此項(xiàng)，讀取電源狀態(tài)命令包不含此項(xiàng)）。當(dāng)電源接收到計(jì)算機(jī)發(fā)出的請(qǐng)求命令包后，執(zhí)行完計(jì)算機(jī)命令的相關(guān)操作后必須返回計(jì)算機(jī)一個(gè)應(yīng)答數(shù)據(jù)包。電源響應(yīng)計(jì)算機(jī)的應(yīng)答數(shù)據(jù)包也采用相同的數(shù)據(jù)包格式，只不過目的站地址和源站地址分別為計(jì)算機(jī)地址號(hào)和電源自身的地址號(hào)。

軟件設(shè)計(jì)
該通信模塊采用的控制芯片是MCS-51系列單片機(jī)80C52，采用匯編語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和與計(jì)算機(jī)通信等功能。
軟件設(shè)計(jì)采用中斷查詢方式。程序在執(zhí)行過程中由于外界的隨機(jī)原因而被中間打斷的情況即稱為“中斷”。通信模塊在未與計(jì)算機(jī)建立通信之前，主程序處于等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，不斷查詢外部串行口中斷。一旦計(jì)算機(jī)發(fā)出請(qǐng)求命令包，所有通信模塊接收到數(shù)據(jù)包后均進(jìn)入串行口中斷程序進(jìn)行判斷識(shí)別，只有地址號(hào)與數(shù)據(jù)包中所包含的目的站地址相同的電源才與計(jì)算機(jī)建立通信關(guān)系并解讀請(qǐng)求命令數(shù)據(jù)包，根據(jù)命令產(chǎn)生相應(yīng)的啟動(dòng)A/D、D/A或讀取開關(guān)量、設(shè)置開關(guān)量等操作，并返回與請(qǐng)求命令數(shù)據(jù)包格式相同的響應(yīng)數(shù)據(jù)包給計(jì)算機(jī)。通信模塊程序框圖如圖4所示。

結(jié)語(yǔ)
本通信模塊已經(jīng)安裝于筆者自行研制的多臺(tái)12V,5000A電鍍用開關(guān)電源中，通過在現(xiàn)場(chǎng)與計(jì)算機(jī)的通信試驗(yàn)，實(shí)際監(jiān)測(cè)和設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，達(dá)到了集中監(jiān)控和遙測(cè)多臺(tái)電源的預(yù)定要求，運(yùn)行情況良好，具有推廣應(yīng)用價(jià)值?！?

參考文獻(xiàn)
1. 侯永濤、王殿魁，‘電源監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)智能電源設(shè)備基本要求的探討’，郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，1999.7.
2 . 邱公偉，‘可編程控制器網(wǎng)絡(luò)通信及其應(yīng)用’，清華大學(xué)出版社.

本文2002年7月15日收到。熊慧洪：碩士研究生，研究方向UPS;姜桂賓：博士生，研究方向高精度開關(guān)電源；裴云慶：博士，研究方向電力電子及器件仿真；王非安：教授，博導(dǎo)，研究方向電力電子。