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

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

　　數(shù)字化技術的發(fā)展表現(xiàn)出了傳統(tǒng)技術無法比擬的優(yōu)勢，整個電源監(jiān)控系統(tǒng)的信號采樣、處理、控制、通信等均可通過數(shù)字化技術實現(xiàn)。全數(shù)字化的控制技術可有效縮小設備的體積，降低設備的成本，但同時大大提高設備的可靠性、智能化和用戶體驗。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。

　　隨著嵌入式技術的發(fā)展，使用嵌入式實時操作系統(tǒng)是電源監(jiān)控系統(tǒng)的必然選擇。一方面是因為嵌入式實時操作系統(tǒng)具有良好的可移植性和較高的可靠性; 另一方面是因為隨著電源監(jiān)控系統(tǒng)性能的不斷提升，僅靠傳統(tǒng)的單片機已無法適應新的需求。ARM 作為當今嵌入式技術的代表，不僅具有上述的所有優(yōu)勢，且成本很低，具有很高的性價比。本文中設計的系統(tǒng)選用了TI 公司生產的LuminaryCortex-M3 系列ARM 中的LM3S9B96 芯片。

　　1 工作原理

　　圖1 以8 路用電設備的電源監(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)啟動之后，主芯片處于上電復位狀態(tài)，其GPIOF 的8 個I/O 引腳處于低電平，此時電控開關保持關斷狀態(tài)，即供電支路處于斷電狀態(tài)。當主芯片內核和各外設初始化成功后，通過其內部嵌入式程序控制GPIOF 的8 個I/O 引腳輸出變?yōu)楦唠娖剑鄳馗鞴╇娭诽幱谕姞顟B(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整到主芯片ADC 采樣的范圍內，二者均為模擬值。檢測值經過AD 采樣后，可在主芯片內運算得到各供電支路的電流和電壓值，并與預設的電流和電壓門限進行比較。若在門限范圍內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 相應引腳的輸出變?yōu)榈碗娖絹碜詣咏o該支路斷電，在經過檢查排除故障后可通過上位機下發(fā)指令控制該供電支路通電。

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

　　2 設計與實現(xiàn)

　　2.1 核心模塊

　　核心模塊采用TI 公司生產的Luminary Cortex-M3 系列ARM 中的LM3S9B96 芯片，該芯片具有80MHz 的運行速度，內部集成了大容量的256KB 單周期Flash ROM 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 自適應以太網(wǎng)模塊和豐富的I/O 接口。

　　LM3S9B96 有65 個I/O 接口，設計時選取GPIOF 組8 個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 外設也可實現(xiàn)與上位機的以太網(wǎng)通信;大容量的內置存儲空間為復雜的程序提供了合適的平臺。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計。

　　2.2 控制模塊

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

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

　　圖2 供電支路控制模塊設計圖

　　2.3 采集模塊

　　各供電支路采集模塊的設計如圖3所示。電流傳感器串聯(lián)在電源回路內，其內部霍爾傳感器會將支路電流產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)廠家提供的手冊可計算出對應的電流值。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際電壓值。實際應用中，根據(jù)用電設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。

　　圖3 供電支路采樣模塊設計圖

　　2.4 通信模塊

　　通信模塊用來實現(xiàn)上位機與下位機之間的通信，本設計中下位機的以太網(wǎng)通信依靠主芯片內置的MAC+PHY 來實現(xiàn)，該模塊支持10/100M 自適應以太網(wǎng)。

　　由于嵌入式處理器內部的運算及存儲資源相對PC 來說非常有限，因此就必須在資源受限的情況下實現(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現(xiàn)一個輕型的TCP/IP 協(xié)議棧，該協(xié)議棧叫做LwIP.與許多其它的TCP/IP 實現(xiàn)一樣，LwIP 也是以分層的協(xié)議為參照，每一個協(xié)議作為一個模塊被實現(xiàn)。LwIP 由TCP/IP 實現(xiàn)模塊、操作系統(tǒng)模擬層、緩沖語內存管理子系統(tǒng)、網(wǎng)絡接口函數(shù)及一組Internet 校驗和計算函數(shù)組成。

　　為便于二次開發(fā)，TI 官方提供了豐富的底層驅動程序及詳細API 說明，本設計在此基礎上編寫了整個以太網(wǎng)通信程序。以太網(wǎng)通信功能的實現(xiàn)，使得本電源監(jiān)控系統(tǒng)除了具備智能化外，還具備了遠程監(jiān)控的能力，極大的拓展了該系統(tǒng)的應用范圍。

　　2.5 顯控模塊

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

　　設計過程中必須確定顯控模塊與下位機軟件的數(shù)據(jù)格式，上位機下發(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，下位機上發(fā)的參數(shù)有更改門限值應答、返回當前門限值、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監(jiān)控系統(tǒng)處于閉環(huán)狀態(tài)，在任何時刻系統(tǒng)的狀態(tài)和檢測值都是可視的，提高了整個系統(tǒng)的可視化和可靠性。

　　3 結論

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