便于集成的智能化電源模塊監(jiān)控系統(tǒng)研究

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)級監(jiān)控中，而模塊級監(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(包括過熱、過流、過壓、電網(wǎng)故障等)。由上位機(jī)通過通信總線對各個(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)測功能、控制功能和通信功能．監(jiān)測是指動(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)壓信號進(jìn)行模塊輸出電壓的調(diào)節(jié)，也可以通過面板上電位器進(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)軟開關(guān)，提高效率，為了擴(kuò)展軟開關(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、電源關(guān)閉信號和送給上位機(jī)的電源運(yùn)行狀態(tài)信號。

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口可以用來進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，由于對輸出電壓的調(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，對輸出電壓進(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，普通的模擬信號隔離(如采用線性光耦隔離)受溫度影響較大，因此先對輸出電壓和電流進(jìn)行采樣，得到數(shù)字信號，然后再通過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，也可以通過串行通信傳送到上位機(jī)，供上位機(jī)對整個(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。通過一個(gè)串行／并行轉(zhuǎn)換器(如74LS164)來實(shí)現(xiàn)這一功能。液晶可以采用模塊，簡化設(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)，由于是多級通信，必須要有地址來進(jìn)行相互區(qū)分，對每個(gè)模塊進(jìn)行地址編碼，模塊的地址設(shè)定靠撥碼開關(guān)來控制，設(shè)置好的地址通過并進(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)，檢測系統(tǒng)的狀態(tài)，判斷是否過壓，電網(wǎng)是否故障，是否過溫，是否過流，并且采樣輸出電流，轉(zhuǎn)換成電壓信號作為顯示并且通過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指示燈來顯示不同的故障。這其中，過溫故障和電網(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)；而輸出過壓和過流故障是不可恢復(fù)性故障，則不應(yīng)該再讓模塊重新啟動(dòng)。
上位機(jī)對下位機(jī)的控制主要通過通信總線，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，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。模塊地址編號從0到15，與模塊放置次序一一對應(yīng)。通信波特率為2400bps。

3 結(jié)語
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。