開關電源監控系統的設計

摘要 ：介紹了一種由一臺計算機實時監控多臺大功率開關電源的實現方案，采用了RS?232C和RS?485雙串行通信總線標準接口，實現了計算機可以實時采樣和設置電源輸出電壓、輸出電流和各個開關量的狀態。
關鍵詞：通信；監控；總線

1引言?
近幾年來，開關電源技術得到了迅猛發展，對開關電源的智能化要求也越來越高。開關電源監控系統作為實現開關電源系統智能化要求的一部分，也越來越得到廣泛的應用。開關電源監控系統的主要功能是通過電源與計算機的通信模塊完成與監控中心的信息交換，接收監控中心的各種監測與遙控命令，并將電源的各種狀態信息反饋給監控中心。監控系統通信模塊的設計是組建開關電源監控系統的關鍵所在，該系統中所設計的監控系統通信模塊與計算機通信的主要特點是實現了計算機與電源的主從總線1∶N通信方式，并且采用了RS?232C和RS?485雙串行通信總線標準接口。本文所介紹的開關電源監控系統實際應用于對作者自行研制的多臺12V,5000A電鍍用開關電源進行實時監控，實現了由一臺計算機對多臺電鍍電源的遠程監測與遙控。
2監控系統通信模塊設計?
為了組建開關電源監控系統，系統中的每臺電源配置了一個獨立的監控系統通信模塊。監控系統通信模塊采用的控制芯片是MCS?51系列單片機80C52。80C52具有8k的內部ROM和256字節的內部RAM。監控系統通信模塊電路結構圖如圖1所示。計算機通過該通信模塊可以實時讀取電源的輸出電壓、輸出電流值以及輸出過壓、輸入過壓、輸入欠壓、過流、過熱、運行/停止等8路開關量的狀態值，并可以在輸出值允許的范圍內任意設置電源的輸出電壓、輸出電流值和復位、合閘、分閘、機控/本控4路開關量的狀態值。從監控系統通信模塊電路結構示意圖可以看出，如果計算機需要讀取電源模塊的輸出電壓、輸出電流值和開關量的狀態時，單片機收到請求命令后啟動A/D轉換芯片MAX182對電源的輸出電壓、輸出電流兩路模擬量進行轉換，轉換后的數據送入單片機進行數據處理。同時表征電源運行狀態的8路開關量從雙總線收發器74LS245讀入送至單片機寄存器存貯。單片機將所有處理后的數據按預定數據傳送格式發送給計算機輸出顯示。計算機需要設置電源的輸出電壓、輸出電流值和4路開關量的狀態時，計算機將設置好的數據按預定格式發送給單片機。單片機接收處理后啟動D/A轉換芯片MAX532和輸出鎖存器74LS573將處理后的輸出電壓、輸出電流值和開關量狀態值輸出給電源。監控系統通信模塊從而實現了計算機對電源的實時監控。為了保證設計人員的安全和防止通信模塊受電源影響而損壞，電源與通信模塊之間的信號傳遞均通過光耦隔離。

為了確保電源與計算機在不同應用場合的準確通信，該監控系統通信模塊采用了RS?232C和RS?485雙串行通信總線標準接口。RS?232C是由美國電子工業協會（EIA）正式公布的、在異步串行通信中應用最廣泛的標準總線，適于短距離或帶調制解調器的通信場合。其邏輯電平對地是對稱的，與TTL、MOS邏輯電平完全不同。邏輯0電平規定為＋5V～＋15V之間，邏輯1電平為－5V～－15V之間，模塊中采用了MAX232驅動芯片進行電平轉換。RS?232C標準接口的主要缺點是數據傳輸速率慢、傳送距離短，抗干擾能力差。模塊配備RS?232C標準接口使得任何含有串行通信口的計算機均可以實現和電源的通信,具有廣泛的適應性。RS?485標準接口為差分驅動結構，它通過傳輸線驅動器把邏輯電平變換為電位差，完成信號的傳遞。RS?485具有傳輸速率快、傳送距離長、抗干擾能力強等優點，模塊中采用了MAX485驅動芯片進行電平轉換。MAX485輸出的差分信號需經RS?232與RS?485轉換模塊轉換后才能送至計算機，所以所有使用RS?485與電源進行通信的計算機必須安裝232/485轉換接口卡。本模塊配備的RS?485通信總線標準接口使得監控系統通信模塊可以適用于環境干擾比較大的工業現場的長距離通信。
3監控系統通信協議設計?
開關電源監控系統要實現一臺計算機對多臺電源的實時監控，必須制定準確的通信協議。通信協議是通信雙方為實現正常通信所作的約定，所制定的規則。兩進程要相互通信，就必須遵守這些約定規則。該監控系統設定的通信協議優點是實現了一臺計算機可以同時監控多臺電源的主從總線1∶N通信方式。在總線結構上有一個主站、即計算機，N個電源做為總線結構上的從站。
主從總線1∶N通信方式可以采用多種通信協議實現總線使用權的分配，本系統中使用的地址查詢方式，主從總線1∶N通信方式的監控系統結構示意圖如圖2所示。系統給每個電源分配唯一的一個地址號，計算機分配一個固定的地址號。當計算機需要和某臺電源建立通信時，計算機發出一個含有該電源地址號的請求命令包。掛在總線上的所有電源一直處于等待接收數據狀態，計算機所發出的請求命令包將被所有的電源所接收。每個電源將接收到的請求命令包中所包含的電源地址號與本模塊的地址號相比較，只有地址號與計算機所發出的請求命令包中所包含的地址號相同的電源才與計算機建立通信，響應計算機所發出的請求命令。其它地址號不相同的電源將拒絕響應計算機的請求命令，繼續保持接收數據狀態，等待響應計算機發出的下一個請求命令包。系統中的這種地址查詢方式實現了任何時候總線上最多只有一臺電源與計算機通信，其它電源處于等待接收數據狀態，從而有效地避免了總線使用權的沖突。

計算機請求命令包格式如圖3所示。該命令包采用的是異步通訊格式。4個字節的起始符和結束符分別用來表征命令包的開始和結束，目的站地址就是計算機所希望建立通信的電源地址號，源地址是計算機地址號。命令碼是計算機對電源所發出的命令信息，用來表征計算機發出的命令是希望讀取電源的輸出電壓、輸出電流值以及開關量的狀態值還是希望設置電源的輸出電壓、輸出電流值以及開關量的狀態值。校驗碼和信息長度是用來檢驗數據傳輸是否正確、有無數據丟失的信息量。數據信息是命令包的主要部分，包含命令包所要傳送的輸出電壓、輸出電流值和開關量的狀態值等數據信息（僅設置電源狀態命令包含有此項，讀取電源狀態命令包不含此項）。當電源接收到計算機發出的請求命令包后，執行完計算機命令的相關操作后必須返回計算機一個應答數據包。電源響應計算機的應答數據包也采用相同的數據包格式，只不過目的站地址和源站地址分別為計算機地址號和電源自身的地址號。

4監控系統軟件設計?
該監控系統軟件設計主要由兩部分構成，一部分是安裝在電源上的通信模塊軟件設計，另一部分是用于計算機監控的上位機軟件設計。
監控系統通信模塊控制芯片是80C52單片機，通信模塊軟件采用匯編語言編寫，實現了數據采集、處理和與計算機通信等功能。軟件設計采用中斷查詢方式。所謂“中斷”就是計算機在執行某一段程序的過程中，由于某種原因，有必要中止原程序的執行，而去執行相應的中斷處理程序，待處理結束之后，再回來繼續執行被中斷了的原程序。這種程序在執行過程中由于外界的隨機原因而被中間打斷的情況即稱為“中斷”。通信模塊在未與計算機建立通信之前，主程序處于等待接收數據狀態，不斷查詢外部串行口中斷。一旦計算機發出請求命令包，所有通信模塊接收到數據包后均進入串行口中斷程序進行判斷識別，只有地址號與數據包中所包含的目的站地址相同的電源才與計算機建立通信關系并解讀請求命令數據包，根據命令產生相應的啟動A/D、D/A或讀取開關量、設置開關量等操作，并返回與請求命令數據包格式相同的響應數據包給計算機。通信模塊程序框圖如圖4所示。

監控系統上位機軟件采用C語言編寫，實現的功能是發送監控命令包和解讀通信模塊反饋的應答數據包，并實時顯示反應電源狀態的輸出電流、輸出電壓值和開關狀態量。監控系統采用主從通信方式，首先由計算機給電源發出命令請求數據包，用于發送讀取或設置電源狀態的命令。當計算機發送的是讀取電源狀態命令時，計算機接收到從通信模塊反饋回來的應答數據包后，將接收到的電源輸出電壓、輸出電流值和開關狀態量屏幕輸出顯示。為了實時更新讀取的狀態量，同樣的讀取命令包每間隔1s計算機自動重復發送一次。當計算機發送的是設置電源狀態命令時，計算機在接收到通信模塊反饋回來的設置成功的應答數據包后，立刻每間隔1s自動重復發送一個讀取電源狀態的命名包，用于屏幕輸出顯示設置完成后的電源輸出電壓、輸出電流值和開關狀態量。上位機軟件框圖如圖5所示。
5結語?
本監控系統已經用于對作者自行研制的多臺12V,5000A電鍍用開關電源進行監控，通過在現場與計算機的通信試驗，實際監測和設置的各項參數均達到了設計指標，實現了集中監控和遙測多臺電源的預定要求，運行情況良好。

參考文獻

[1]侯永濤,王殿魁.電源監控系統對智能電源設備基本要求的探討[J].郵電設計技術.1999(7).
[2]薛均義,張彥斌.單片機微型計算機及其應用[M].西安交通大學出版社.1997.
[3]邱公偉.可編程控制器網絡通信及其應用[M].清華大學出版社.2000.