隨著當(dāng)代科技的日益發(fā)展,數(shù)量巨大的各類(lèi)設(shè)備的電源維護(hù)管理需要投入大量的人力、物力,像通信/ 電力設(shè)施所處環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜,人煙稀少、交通不便、危險(xiǎn)度高等都增大了維護(hù)的難度和費(fèi)用。這對(duì)電源設(shè)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(duì)系統(tǒng)中各狀態(tài)量進(jìn)行監(jiān)視,還必須能對(duì)各供電支路進(jìn)行控制和管理。維護(hù)管理人員可遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)、控制等維護(hù)工作,并可利用友好的人機(jī)界面方便地得到需要的信息。
數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)出了傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),整個(gè)電源監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)采樣、處理、控制、通信等均可通過(guò)數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。全數(shù)字化的控制技術(shù)可有效縮小設(shè)備的體積,降低設(shè)備的成本,但同時(shí)大大提高設(shè)備的可靠性、智能化和用戶(hù)體驗(yàn)。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(shù)的發(fā)展,使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是電源監(jiān)控系統(tǒng)的必然選擇。一方面是因?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)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?yàn)殡S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(jī)已無(wú)法適應(yīng)新的需求。ARM 作為當(dāng)今嵌入式技術(shù)的代表,不僅具有上述的所有優(yōu)勢(shì),且成本很低,具有很高的性?xún)r(jià)比。本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用了TI 公司生產(chǎn)的LuminaryCortex-M3 系列ARM 中的LM3S9B96 芯片。
1 工作原理
圖1 以8 路用電設(shè)備的電源監(jiān)控為例,給出了監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖。
ARM Cortex-M3的小型化遠(yuǎn)程監(jiān)控智能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖1 8 路電源監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖
8 路設(shè)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(dòng)之后,主芯片處于上電復(fù)位狀態(tài),其GPIOF 的8 個(gè)I/O 引腳處于低電平,此時(shí)電控開(kāi)關(guān)保持關(guān)斷狀態(tài),即供電支路處于斷電狀態(tài)。當(dāng)主芯片內(nèi)核和各外設(shè)初始化成功后,通過(guò)其內(nèi)部嵌入式程序控制GPIOF 的8 個(gè)I/O 引腳輸出變?yōu)楦唠娖?,相?yīng)地各供電支路處于通電狀態(tài),開(kāi)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(cè)得流過(guò)供電支路的電流值,分壓電路將供電支路的電壓值調(diào)整到主芯片ADC 采樣的范圍內(nèi),二者均為模擬值。檢測(cè)值經(jīng)過(guò)AD 采樣后,可在主芯片內(nèi)運(yùn)算得到各供電支路的電流和電壓值,并與預(yù)設(shè)的電流和電壓門(mén)限進(jìn)行比較。若在門(mén)限范圍內(nèi)則表示該供電支路工作正常,而在門(mén)限范圍外則表示該供電支路發(fā)生了過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等異常,主芯片通過(guò)將GPIOF 相應(yīng)引腳的輸出變?yōu)榈碗娖絹?lái)自動(dòng)給該支路斷電,在經(jīng)過(guò)檢查排除故障后可通過(guò)上位機(jī)下發(fā)指令控制該供電支路通電。
上位機(jī)與嵌入式下位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信,上位機(jī)可向下位機(jī)下發(fā)指令控制指定供電支路的通斷,也可設(shè)置各供電支路的電流和電壓門(mén)限值。每隔一定的時(shí)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(jī)發(fā)送至上位機(jī),通過(guò)上位機(jī)顯控軟件可觀察各供電支路的工作狀態(tài)。
2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 核心模塊
核心模塊采用TI 公司生產(chǎn)的Luminary Cortex-M3 系列ARM 中的LM3S9B96 芯片,該芯片具有80MHz 的運(yùn)行速度,內(nèi)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(yīng)以太網(wǎng)模塊和豐富的I/O 接口。
LM3S9B96 有65 個(gè)I/O 接口,設(shè)計(jì)時(shí)選取GPIOF 組8 個(gè)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(mǎn)足8 路供電支路的采樣需求;集成的MAC+PHY 外設(shè)也可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的以太網(wǎng)通信;大容量的內(nèi)置存儲(chǔ)空間為復(fù)雜的程序提供了合適的平臺(tái)。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(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。
2.2 控制模塊
各供電支路控制模塊的設(shè)計(jì)如圖2所示。根據(jù)各支路設(shè)備需要的電流值選擇合適的繼電器作為電子開(kāi)關(guān),并且在控制引腳和繼電器間加入光耦隔離保護(hù)及供電通斷指示燈。
當(dāng)主芯片GPIOF 控制引腳為低電平時(shí),LED 燈滅,繼電器3 腳輸入與5 腳輸出斷開(kāi),該供電支路斷電;當(dāng)主芯片GPIOF 控制引腳為高電平時(shí),光耦輸出為低電平,LED 燈亮,繼電器3 腳輸入與5腳輸出導(dǎo)通,該供電支路通電。
ARM Cortex-M3的小型化遠(yuǎn)程監(jiān)控智能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖2 供電支路控制模塊設(shè)計(jì)圖
2.3 采集模塊
各供電支路采集模塊的設(shè)計(jì)如圖3所示。電流傳感器串聯(lián)在電源回路內(nèi),其內(nèi)部霍爾傳感器會(huì)將支路電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(cè)可計(jì)算出對(duì)應(yīng)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(guò)簡(jiǎn)單換算即可得到實(shí)際電壓值。實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)用電設(shè)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(nèi)。
ARM Cortex-M3的小型化遠(yuǎn)程監(jiān)控智能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖3 供電支路采樣模塊設(shè)計(jì)圖
2.4 通信模塊
通信模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信,本設(shè)計(jì)中下位機(jī)的以太網(wǎng)通信依靠主芯片內(nèi)置的MAC+PHY 來(lái)實(shí)現(xiàn),該模塊支持10/100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)。
由于嵌入式處理器內(nèi)部的運(yùn)算及存儲(chǔ)資源相對(duì)PC 來(lái)說(shuō)非常有限,因此就必須在資源受限的情況下實(shí)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(shí)現(xiàn)一個(gè)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(shí)現(xiàn)一樣,LwIP 也是以分層的協(xié)議為參照,每一個(gè)協(xié)議作為一個(gè)模塊被實(shí)現(xiàn)。LwIP 由TCP/IP 實(shí)現(xiàn)模塊、操作系統(tǒng)模擬層、緩沖語(yǔ)內(nèi)存管理子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)及一組Internet 校驗(yàn)和計(jì)算函數(shù)組成。
為便于二次開(kāi)發(fā),TI 官方提供了豐富的底層驅(qū)動(dòng)程序及詳細(xì)API 說(shuō)明,本設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)上編寫(xiě)了整個(gè)以太網(wǎng)通信程序。以太網(wǎng)通信功能的實(shí)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(yuǎn)程監(jiān)控的能力,極大的拓展了該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
2.5 顯控模塊
顯控模塊實(shí)在上位機(jī)開(kāi)發(fā)的軟件功能模塊,本設(shè)計(jì)中該模塊的開(kāi)發(fā)基于VC++ 6.0.顯控主要實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信控制、各供電支路電流和電壓門(mén)限值在線設(shè)置及采集值的可視化顯示。
設(shè)計(jì)過(guò)程中必須確定顯控模塊與下位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)格式,上位機(jī)下發(fā)的指令有更改門(mén)限值、查詢(xún)門(mén)限值、更改通斷狀態(tài)、信道測(cè)試等,下位機(jī)上發(fā)的參數(shù)有更改門(mén)限值應(yīng)答、返回當(dāng)前門(mén)限值、通斷狀態(tài)返回、異常狀態(tài)返回和信道測(cè)試等。這些指令確保了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)處于閉環(huán)狀態(tài),在任何時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)和檢測(cè)值都是可視的,提高了整個(gè)系統(tǒng)的可視化和可靠性。
3 結(jié)論
本文中描述的電源監(jiān)控系統(tǒng)已實(shí)際應(yīng)用在多個(gè)項(xiàng)目中,包括一些環(huán)境較惡劣的場(chǎng)合,整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,并且借助以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能化監(jiān)控。另外,本設(shè)計(jì)也存在可以改進(jìn)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(mǎn)足一些對(duì)供電電源精度要求極高的領(lǐng)域;其次是可以考慮加入無(wú)線通信功能,從而減少系統(tǒng)布線的復(fù)雜度并拓寬應(yīng)用場(chǎng)合。隨著技術(shù)的不斷完善,該類(lèi)電源監(jiān)控系統(tǒng)必將在更多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。