一種遠(yuǎn)程直流電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1 引言

上世紀(jì)60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗(yàn)研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線。蓄電池放電后，用直流電按與放電電流相反的方向通過蓄電池，使它恢復(fù)工作能力，這個過程稱為蓄電池充電。蓄電池充電時，電池正極與電源正極相聯(lián)，電池負(fù)極與電源負(fù)極相聯(lián)，充電電源電壓必須高于電池的總電動勢。充電方式有恒電流充電和恒電壓充電兩種。

變電站、發(fā)電廠、通信機(jī)房需要穩(wěn)定可靠的直流電源系統(tǒng)為蓄電池充電，向控制回路和合閘回路供電。直流電源管理電池充放電、監(jiān)控開關(guān)狀態(tài)和直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，以便在運(yùn)行過程中確保電源和設(shè)備安全高效運(yùn)行。電源監(jiān)控系統(tǒng)已從簡單的監(jiān)控功能發(fā)展到具有三遙和報警功能，具有較完備的管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的系統(tǒng)。電源監(jiān)控系統(tǒng)基于導(dǎo)軌式安裝電力監(jiān)控儀表的電源監(jiān)控管理方案。該方案主要由觸摸屏、單相或三相交流信號采集單元、互感器構(gòu)成，能對數(shù)據(jù)中心電源進(jìn)行實(shí)時采集與顯示電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波和電能。“節(jié)能減排”目前已成為衡量企業(yè)未來可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)。隨著電信、銀行以及大型企業(yè)業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，龐大的數(shù)據(jù)中心所帶來的管理維護(hù)費(fèi)用和不斷攀升的電費(fèi)已成為企業(yè)主管的一大難題。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1硬件電路設(shè)計

直流電源系統(tǒng)需要采集多路模擬量、數(shù)字量并要求多路空節(jié)點(diǎn)和0 V～4 V的可調(diào)電壓輸出，即四遙功能。監(jiān)控單元有兩個串行口，一個用于連接智能設(shè)備，另一個用于和TC35i通信。監(jiān)控單元還需要鍵盤和液晶顯示。根據(jù)以上需求，系統(tǒng)需在單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加較多外設(shè)。采用帶雙串口的單片機(jī)減少外設(shè)數(shù)量，則增加系統(tǒng)成本，而且限制單片機(jī)本身的通用性。其硬件原理圖如圖1所示。

2.1.1單片機(jī)

單片機(jī)采用通用的SST89E516，是基于8051內(nèi)核帶64 KB的Flash單片機(jī)，3個16-bit定時器/計數(shù)器，1個UART，36個GPIO，支持ISP;看門狗電路、時鐘電路和掉電保存電路采用FM3104。FM3104是RAMTRON公司推出的一款高性價比的集成器件，內(nèi)部集成看門狗、低壓檢測、定時器、時鐘電路和鐵電存儲器。采用I2C通信。時鐘電路和鐵電存儲器分別為兩個地址，其中鐵電存儲器用于存儲系統(tǒng)參數(shù)，如告警號碼、遙測告警越限值等。

2.1.2 TC35i接口電路

西門子的TC35i是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，其頻段為雙頻GSM 900 MHz和GSM1 800 MHz，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真。系統(tǒng)采用16C550擴(kuò)展一個串口，以TTL電平的串行口方式和TC35i通信。

2.1.3顯示、鍵盤電路

顯示電路采用128×64液晶。液晶的接口片選由GAL16V8確定。為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，鍵盤采用集成電路ZLG7290，單片機(jī)與ZLG7290的通信采用I2C通信方式。

2.1.4模擬信號采集電路

模擬信號采集電路是由整定、隔離和轉(zhuǎn)換3部分組成。不同的模擬信號整定電路部分不同，例如直流電壓采用精密電阻分壓法將0 V～400 V電壓整定為0 V～4 V;而交流電壓則采用電壓互感器整定為0 V～4 V;隔離電路采用線性光耦。

整定過的模擬信號經(jīng)限壓處理，一并輸入多路開關(guān)。然后經(jīng)過壓頻轉(zhuǎn)換(V/F)后輸入CPU處理。V/F轉(zhuǎn)換采用集成電路AD654。AD654是美國模擬器件公司的一款低成本、8引腳封裝的電壓頻率(V/F)轉(zhuǎn)換器，其單電源電壓為4.5 V～36 V;雙電源電壓為5 V～18 V;輸出頻率范圍為0 kHz～500 kHz;線性誤差為0.06%(250 kHz時);輸入阻抗為250 MΩ;其輸入電壓范圍為單電源為0 V～Vs-4 V，雙電源為-Vs～Vs-4 V。

2.1.5數(shù)字信號采集電路

數(shù)字信號指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個數(shù)值之內(nèi)。二進(jìn)制碼就是一種數(shù)字信號。二進(jìn)制碼受噪聲的影響小，易于有數(shù)字電路進(jìn)行處理，所以得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號采用TLP521隔離后送至總線驅(qū)動器74HC244。GAL16V8產(chǎn)生74HC244片選，單片機(jī)每隔10 ms查詢采集數(shù)字信號，并加入去抖動處理。

2.1.6空接點(diǎn)輸出電路

空接點(diǎn)用于實(shí)現(xiàn)直流模塊的開關(guān)機(jī)以及其他設(shè)備的控制。采用5 V繼電器輸出空接點(diǎn)信號。5 V繼電器控制也由總線控制。數(shù)據(jù)口經(jīng)74HC273和MC1413驅(qū)動后控制繼電器。GAL16V8產(chǎn)生74HC273片選，可擴(kuò)展多個空接點(diǎn)。

2.1.7模擬電壓給定

模擬信號給定采用數(shù)字DS1845電位器分壓實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電位器將2.5 V基準(zhǔn)電壓分壓后疊加總限流電壓信號，放大輸出作為直流模塊調(diào)節(jié)電壓的基準(zhǔn)。

2.2電路可靠性設(shè)計

2.2.1屏蔽，隔離和吸收

本系統(tǒng)設(shè)計的通信線路均采用屏蔽雙絞線屏蔽外界干擾，并進(jìn)行光電隔離。并將各范圍內(nèi)的模擬量輸人信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為0 V～4 V的電壓信號送至A/D轉(zhuǎn)換器，為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，采用差動放大器和隔離放大器。

2.2.2接地

信號接地保證同一邏輯系統(tǒng)的信號邏輯準(zhǔn)確，消除同一邏輯系統(tǒng)的不等電位帶來的干擾，保護(hù)接地保證了系統(tǒng)各部分的安全工作。而數(shù)字信號地和模擬信號地單點(diǎn)連接。信號地和大地采用3KV102電容連接。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1軟件設(shè)計思路

采用實(shí)時操作系統(tǒng)，即定時器T0產(chǎn)生10 ms中斷，利用10 ms中斷計數(shù)分別產(chǎn)生200 ms、500 ms和1 s任務(wù)。系統(tǒng)軟件模塊框圖如圖2所示。