基于單片機(jī)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) - 全文

　　摘要：近年，通信行業(yè)發(fā)展異常迅速，電源系統(tǒng)是通信的動力中心，通信電源系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性直接關(guān)系到通信機(jī)房及基站的正常運(yùn)行。介紹了基于DS80C320的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，從硬件結(jié)構(gòu)、軟件編程兩方面進(jìn)行了詳細(xì)討論。實際運(yùn)行表明。本監(jiān)控系統(tǒng)完全能滿足實際需要，性能良好。

　　通信電源是通信網(wǎng)絡(luò)的"心臟",通信電源系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行直接關(guān)系到通信的穩(wěn)定性及可靠性。目前大型通信電源的供電方式多采用集中供電的方式，一旦發(fā)生供電故障，將直接引起整個通信系統(tǒng)的癱瘓。

　　通信電源的傳統(tǒng)維護(hù)方式主要依靠人工看守，工作量大，效率低下，造成設(shè)備發(fā)生故障而沒有及時進(jìn)行處理而產(chǎn)生的重大通信阻斷時有發(fā)生。因此對在網(wǎng)運(yùn)行通信電源設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，有利于及時發(fā)現(xiàn)電源故障，減少人為因素，對保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行顯得十分重要。'

　　目前，通信電源系統(tǒng)廣泛使用高頻開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)備，其智能化程度高。在運(yùn)行過程中，電源系統(tǒng)的具體運(yùn)行要求很多，例如：若電源系統(tǒng)不能輸出規(guī)定電流和電壓或輸出的電流、電壓超出允許波動范圍，雜音電壓高于允許值時間并持續(xù)10 S以上者均判定為系統(tǒng)故障。原交流系統(tǒng)中的電壓、頻率或波形畸變超出規(guī)定范圍持續(xù)時間大于60 S者也判定為故障。

　　為此，要保證通信電源系統(tǒng)的可靠性，通信部門應(yīng)盡量從兩個不同的地方引入2路市電輸入，并設(shè)置2路市電電能自動倒換裝置;所用設(shè)備要選用可靠性高的高頻開關(guān)整流設(shè)備。

　　模塊化、熱插拔式結(jié)構(gòu)以便于更換，并合理配置備份設(shè)備。供電方式要大力推廣分散供電，使用同一種直流電壓的通信設(shè)備采用兩個以上的獨立供電系統(tǒng)。為了盡量縮短設(shè)備的平均故障修復(fù)時間，要經(jīng)常分析運(yùn)行參數(shù)，預(yù)測故障發(fā)生的時間并及時排除。還要提高技術(shù)維護(hù)水平，采用集中維護(hù)、遠(yuǎn)程遙信、遙測維護(hù)。

　　實施集中監(jiān)控管理是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是現(xiàn)代通信網(wǎng)的要求，也是企業(yè)減員增效的有效措施。各種電源設(shè)備要智能化、標(biāo)準(zhǔn)化，符合開放式通信協(xié)議。

　　1 框架結(jié)構(gòu)及總體設(shè)計要求

　　通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是隨時監(jiān)控電源的運(yùn)行狀態(tài);對電壓的波動、頻率的波動、波形失真率、瞬時浪涌、瞬變脈沖、三相不平衡等各種質(zhì)量特性指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控;當(dāng)故障發(fā)生時，能夠及時采取相應(yīng)措施并報警等。根據(jù)通信電源集中維護(hù)、統(tǒng)一管理的基本模式，監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是多級的分布式計算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，一般可分為四級：中心監(jiān)控中心、區(qū)域監(jiān)控中心、局站監(jiān)控中心以及前端現(xiàn)場處理部分(包括智能設(shè)備、蓄電池檢測儀、前端采集設(shè)備)。整個系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)宜采用樹型結(jié)構(gòu)(見圖1)，樹型結(jié)構(gòu)有很好的擴(kuò)容性，以滿足通信行業(yè)不斷發(fā)展的需求。

圖1 通信電源監(jiān)控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

　　通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能設(shè)計如下：

　　(1)實時監(jiān)控及顯示各個通信電源設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及相應(yīng)的工作狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時具有聲光報警功能，以及時提示工作人員排除故障;(2)當(dāng)故障發(fā)生時，能夠及時實現(xiàn)主從電源準(zhǔn)確無誤的切換，同時還要保證切換時電壓同頻率，同相位，同幅值;(3)對通信電源系統(tǒng)具有完善的保護(hù)功能，防止系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、過流、頻率或相位超差及過熱等現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)以上現(xiàn)象后及時采取措施;(4)通信功能：具有主從機(jī)組之間通信，與監(jiān)控中心(上位機(jī))通信等功能;(5)具有記錄歷史數(shù)據(jù)、狀態(tài)的功能。

　　2 硬件電路設(shè)計

　　DS80C320是美國DALLAS公司推出的高速低功耗8位單片機(jī)，它采用了全新設(shè)計的處理器內(nèi)核，去掉了冗余的時鐘和存儲周期，在同樣的晶振速度下每個相同的指令執(zhí)行速度可以被提高1.5~3倍。它可以與80C51/80C32兼容，使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集。

　　本系統(tǒng)實時監(jiān)控通信電源系統(tǒng)的電流、電壓、溫度、頻率及相位，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)送入微處理器，同時采集蓄電池的電壓、工作電流和環(huán)境溫度，定時計算蓄電池的內(nèi)阻送人存貯器及微處理器;并通過微處理器將數(shù)據(jù)送入上位機(jī)。具體模塊分為微處理器及外設(shè)模塊，電壓采集及測試模型、電流采集及測試模型、溫度采集及測試模型、頻率及相位測量模塊、輸入及顯示模塊、控制量輸出輸入模塊以及通信模塊，如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件框圖

　　在本系統(tǒng)當(dāng)中，微處理器采用了DS80C320芯片，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。同時為了準(zhǔn)確記錄蓄電池的狀態(tài)而擴(kuò)展了相應(yīng)的外部存儲器。根據(jù)采集精度要求以及被采集量的特點，電流、電壓及溫度測試采集模塊采用AD公司的高性能l2位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A來完成，轉(zhuǎn)換時間為25 s,線性誤差為±1/2 LSB,內(nèi)部有時鐘脈沖源和基準(zhǔn)電壓源，單通道單極性或雙極性電壓輸入，采用28腳雙立直插式封裝，并通過ADG508A擴(kuò)展模擬量輸入通道。頻率及相差采集測試模塊是將信號先經(jīng)過具有遲滯特性的過零比較器轉(zhuǎn)換為方波，然后通過雙四選一開關(guān)4052送人單片機(jī)，完全能夠滿足伺服系統(tǒng)的要求。通過定時器]rn來計算頻率和相差。I/O控制的主要功能是實現(xiàn)了對供電斷路器進(jìn)行有效控制，實現(xiàn)主路電源、備路電源及備用發(fā)電機(jī)的有效切換。輸入及顯示模塊采用8位7段LED顯示，顯示的內(nèi)容包括電流、電壓、頻率及相差等運(yùn)行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過按鍵進(jìn)行簡單的選擇，同時通過發(fā)光二極管和蜂鳴器提示運(yùn)行狀態(tài)。本系統(tǒng)硬件部分利用串口1采用RS485標(biāo)準(zhǔn)接IZl實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，完成傳輸數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程報警等功能。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1系統(tǒng)軟件流程

　　系統(tǒng)軟件部分采用NI公司推出的一套面向測控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺：Labwindows/CⅥ 來進(jìn)行開發(fā)。LabWin-dows/CVI是National Instruments公司(美國國家儀器公司，簡稱NI公司) 推出的交互式C語言開發(fā)平臺。LabWin-dows/CVI將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來，利用它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強(qiáng)了c語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)設(shè)計人員編寫檢測系統(tǒng)、自動測試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用軟件提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。

　　系統(tǒng)軟件主程序部分的流程圖如圖3所示。

?　圖3 主程序流程圖

　　3.2軟件部分的主要算法及功能

　　3.2.1蓄電池智能充放電算法的確定

　　正確合理的充放電可有效地延長蓄電池的使用壽命，本系統(tǒng)內(nèi)置了蓄電池充放電算法的數(shù)據(jù)模型，利用下位機(jī)采集上傳的數(shù)據(jù)自動生成容量對應(yīng)曲線與之進(jìn)行比較運(yùn)算，用于確定下位機(jī)對蓄電池的充放電的管理，從而實現(xiàn)了蓄電池的智能充放電功能。

　　蓄電池智能充放電算法很多，本系統(tǒng)采用的算法是：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是利用計算機(jī)來模擬大腦信號處理過程的人工智能技術(shù)，由大量簡單的神經(jīng)元廣泛連接形成復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行自動歸納，從中獲取這些數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律。蓄電池是一個高度非線性系統(tǒng)，通常很難對其充放電過程建立合理準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。所以，在給出外部激勵的條件下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能夠利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力和并行結(jié)構(gòu)模擬電池非線性特性來估計SOC值。

　　SOC估計采用典型的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中輸入、輸出層的神經(jīng)元個數(shù)由實際系統(tǒng)需要決定，中間層神經(jīng)元個數(shù)取決于系統(tǒng)復(fù)雜度及分析精度要求。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法中，系統(tǒng)輸入量包括電池電壓、環(huán)境溫度、充放電電流、電池內(nèi)阻、累積放出電量等。輸入量類型、數(shù)量是否選擇合適會直接影響到方法模型的計算量和準(zhǔn)確性。

　　3.2.2數(shù)字濾波算法

　　根據(jù)本系統(tǒng)采集精度較高、被采集的模擬量變化緩慢的特點，采取了中值濾波法來從采樣數(shù)據(jù)列中提取出逼近真值的數(shù)據(jù)。中值濾波是對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般N取奇數(shù))，然后把N次采樣值從小到大，或從大到小排隊，再取其中間值作為本次采樣值。中值濾波對于去掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈沖干擾比較有效，可對電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行多周期采樣，每次采樣后和有效采樣值比較，如果變化幅度不超過一定幅值，采樣有效;否則視為無效放棄。

　　4 抗干擾措施

　　由于系統(tǒng)中存在功率較大的設(shè)備，而且具有一定的電磁干擾，干擾一旦串入系統(tǒng)，輕則會引起誤報，嚴(yán)重時就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，甚至造成重大事故。本系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面采取了抗干擾措施，從而保證了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

　　在硬件方面，利用光耦合器件對單片機(jī)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔離開來，以防止串模干擾，同時在電源進(jìn)線端加去耦電容，削弱各類高頻干擾，以提高硬件的抗干擾性。

　　在軟件方面，利用了DS80C320提供的內(nèi)部可編程硬邏輯看門狗來保證程序的安全性。

　　5 結(jié)語

　　與常規(guī)的電源系統(tǒng)相比，通信電源系統(tǒng)應(yīng)能自動、連續(xù)、實時地監(jiān)控所有變、配電設(shè)備的運(yùn)行/故障狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，還應(yīng)具有故障的自動應(yīng)急處理能力。實踐證明， 基于DS80C320的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)性能優(yōu)良，完全滿足電源系統(tǒng)穩(wěn)定性高的要求，具有很好的抗干擾能力，保證了整個智能建筑安全、可靠地運(yùn)行。