基于C8051F021的直流電源監(jiān)控系統(tǒng)

1c8051f021單片機簡介

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)，大大提高了指令運行的速度，最大速度可達25mips。此外，還提供22個中斷源、片內(nèi)獨立工作的時鐘發(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存儲器

c8051f021有64k字節(jié)的可在系統(tǒng)編程的flash程序存儲器，其地址為0x0000～0xffff。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)。通過不同的尋址方式來區(qū)別這兩個區(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)存儲器接口，用于訪問片外存儲器和存儲器映像的i/o器件。

1.3模擬通道

c8051f021內(nèi)部集成了一個功能強大的adc子系統(tǒng)，它包括一個9通道的模擬多路開關(guān)、一個可編程增益放大器和一個100ksps的12位分辨率的逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置一個1.2v、15ppm/℃的電壓基準。該子系統(tǒng)還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器?？删幊淘鲆娣糯笃鞯脑鲆娣譃?級，最大增益為16，可由軟件編程實現(xiàn)。在模擬通道中，前8個通道用于對外部模擬信號的測量，第九通道接到內(nèi)部溫度傳感器，用來測量芯片溫度。通過軟件編程，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測器能夠自動地、不停地將a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果與用戶編程所設(shè)置的極限值進行比較，越限則立即通知控制器。

c8051f021有兩個12位電壓輸出方式的dac，每個dac的輸出均為0v～vref1lsb。

1.4數(shù)字通道

c8051f021具有4個8位的i/o端口，每個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)網(wǎng)絡。通過該網(wǎng)絡，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。用戶通過軟件編程控制該開關(guān)網(wǎng)絡，可以將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、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)部有兩個全雙工的異步串行口uart0和uart1。它們除了具有標準串行口的功能外，還具有幀錯誤監(jiān)測和地址識別硬件。還有一個完全符合系統(tǒng)管理總線標準的串行接口smbus和一個串行外設(shè)接口spi。這些串行總線都完全由硬件實現(xiàn)，且都可以產(chǎn)生中斷。它們不共享定時器、中斷、或i/o端口，因此可以同時使用所有的串行口。

2直流高頻開關(guān)電源系統(tǒng)

2.1功能與特點

(1)智能化管理蓄電池，嚴格按照蓄電池的充電曲線運行，對蓄電池的均充和浮充以及切換全部自動完成。(2)通過實時測量電壓、電流、溫度等系統(tǒng)參數(shù)，監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行狀態(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；通過鍵盤還能夠進行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與修改，并可進行系統(tǒng)操作。(4)系統(tǒng)采用雙微機監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)，主監(jiān)控模塊處于運行方式，而副監(jiān)控模塊則處于熱備用運行方式，以提高系統(tǒng)的安全性能。(5)微機監(jiān)控模塊有rs485串行通訊接口，便于與rtu或綜合自動化系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)“遙測”“遙信”等功能。(6)對輸出電流的響應速度極高，增強了系統(tǒng)的負載適應能力。

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，也就是說它是輸出電壓可以隨時調(diào)節(jié)的整流模塊，這就便于利用微機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刻滿足系統(tǒng)的要求，對系統(tǒng)的故障能夠自動檢測并發(fā)出告警信號，以保證系統(tǒng)工作的可靠性。該系統(tǒng)的控制核心是微機監(jiān)控模塊，它實時監(jiān)測交流輸入電壓、各直流母線電壓、充電機電流、蓄電池電流及蓄電池溫度等模擬信號，并依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定值來判斷系統(tǒng)狀態(tài)，進行必要的操作與調(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)顯示及報警等。電池監(jiān)測模塊完成對蓄電池組中所有單只蓄電池端電壓的測量后，通過rs485串行接口將測量數(shù)據(jù)傳送到微機監(jiān)控模塊。

3微機監(jiān)控模塊

3.1微機監(jiān)控模塊功能

(1)系統(tǒng)監(jiān)測。(2)系統(tǒng)控制及保護。(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是微機監(jiān)控模塊的原理框圖。以c8051f021測量輸入的模擬信號和輸出調(diào)壓模擬信號。根據(jù)被測信號是否需要隔離來區(qū)分輸入信號，分別處理。其中交流電壓信號取自交流電壓互感器，直流電流取自霍爾電流互感器，測溫選用集成溫度傳感器ad590，對上述信號測量時不需要隔離，進行適當放大處理即可進入c8051f021的a/d通道。測量直流母線電壓采用電阻取樣，由于取得的被測信號與直流系統(tǒng)在電氣上是相連的，因此，為保證測量系統(tǒng)的準確性與安全性必須對被測信號進行隔離。本模塊中對這些通道采用了高精度的線性光電耦合器隔離，隔離后的信號再經(jīng)放大進入a/d通道。輸出調(diào)壓信號由c8051f021中的d/a轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，d/a輸出的信號經(jīng)過功率放大之后驅(qū)動調(diào)壓模塊，調(diào)整直流母線電壓。除了上述模擬信號的測量與控制功能外，單片機還接受諸如模塊故障、風機狀態(tài)等開關(guān)量信號輸入，這些信號都是通過中斷響應的。單片機根據(jù)所測量的各種信號及系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定值，作出判斷，并給出相應的控制信號輸出，包括通過d/a輸出調(diào)壓信號和經(jīng)驅(qū)動后控制繼電器輸出相應的開關(guān)信號。此外，單片機還負責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、測量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)告警等子菜單；負責管理鍵盤，響應對系統(tǒng)的操作和對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與修改。本監(jiān)控模塊利用c8051f021具有的兩個異步串行口分別完成對上位機的通訊和與監(jiān)測蓄電池的下位機的通訊。

3.3主副監(jiān)控的切換

微機副監(jiān)控模塊的功能與主監(jiān)控模塊基本相同。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，副監(jiān)控處于非工作狀態(tài)，它的顯示屏幕上顯示待機狀態(tài)。但它實時監(jiān)測系統(tǒng)的所有模擬信號并對系統(tǒng)進行工作狀態(tài)的判定，與主監(jiān)控不同之處是它不顯示任何測量結(jié)果與狀態(tài)，且不參與系統(tǒng)的控制。此時由主監(jiān)控負責控制系統(tǒng)，而對系統(tǒng)控制權(quán)的切換卻由副監(jiān)控掌握。當直流母線電壓出現(xiàn)越限并且越限時間超過規(guī)定范圍仍未能恢復正常時，副監(jiān)控便奪過對系統(tǒng)的控制權(quán)，實行對系統(tǒng)的控制，同時發(fā)出主監(jiān)控異常信號。待主監(jiān)控恢復正常后，人為控制將監(jiān)控權(quán)切換到主監(jiān)控。 3.4監(jiān)控模塊的軟件設(shè)計

監(jiān)控模塊的軟件設(shè)計采用匯編語言，在設(shè)計時，首先實現(xiàn)一個簡煉的主程序，然后在此基礎(chǔ)上，把所有要完成的功能編制成相應的任務模塊。根據(jù)模塊各自的特點，或者由系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，或者在響應中斷后執(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)的自動整定，包括整機硬件設(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、溫度等模擬信號的采樣并計算出其相應的數(shù)值。

(3)計算和調(diào)整模塊：根據(jù)采集的模擬信號和輸入的開關(guān)量，通過計算、分析，確定是否需要調(diào)壓以及調(diào)整方向和它的步長值。輸出控制調(diào)整信號，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別功能，并在確認有效按鍵后調(diào)用相應按鍵功能函數(shù)進行處理。顯示模塊則負責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。

(5)通訊模塊：完成異步串行口接口管理功能，串口1負責接收上位機的控制命令，向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)及狀態(tài)。串口2負責管理并接收測量蓄電池的下位機的測量數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

本文所介紹的智能直流高頻開關(guān)電源系統(tǒng)中的微機監(jiān)控模塊采用單片機c8051f021，充分利用該片上系統(tǒng)的強大的模擬及數(shù)字資源，簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時也提高了監(jiān)控模塊的性能價格比。系統(tǒng)中采用主副監(jiān)控模塊的冗余設(shè)計，保證系統(tǒng)工作的可靠性。該系統(tǒng)經(jīng)實際使用證明，設(shè)計合理、抗干擾能力強、運行可靠。