一款远程直流电源监控系统设计方案

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1前言
       
        上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图1所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线。蓄电池放电后，用直流电按与放电电流相反的方向通过蓄电池，使它恢复工作能力，这个过程称为蓄电池充电。蓄电池充电时，电池正极与电源正极相联，电池负极与电源负极相联，充电电源电压必须高于电池的总电动势。充电方式有恒电流充电和恒电压充电两种。
       
        变电站、发电厂、通信机房需要稳定可靠的直流电源系统为蓄电池充电，向控制回路和合闸回路供电。直流电源管理电池充放电、监控开关状态和直流系统运行状态，以便在运行过程中确保电源和设备安全高效运行。电源监控系统已从简单的监控功能发展到具有三遥和报警功能，具有较完备的管理和远程监控功能的系统。电源监控系统基于导轨式安装电力监控仪表的电源监控管理方案。该方案主要由触摸屏、单相或三相交流信号采集单元、互感器构成，能对数据中心电源进行实时采集与显示电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波和电能。“节能减排”目前已成为衡量企业未来可持续发展的重要指标。随着电信、银行以及大型企业业务的扩展，庞大的数据中心所带来的管理维护费用和不断攀升的电费已成为企业主管的一大难题。
       
        2系统硬件设计
       
        2.1硬件电路设计
       
        直流电源系统需要采集多路模拟量、数字量并要求多路空节点和0 V~4 V的可调电压输出，即“四遥”功能。监控单元有两个串行口，一个用于连接智能设备，另一个用于和TC35i通信。监控单元还需要键盘和液晶显示。根据以上需求，系统需在单片机最小系统的基础上增加较多外设。采用带双串口的单片机减少外设数量，则增加系统成本，而且限制单片机本身的通用性。其硬件原理图如图1所示。

       
       
        图1 硬件电路原理图

         
        2.1.1单片机
       
        单片机采用通用的SST89E516，是基于8051内核带64 KB的Flash单片机，3个16-bit定时器/计数器，1个UART，36个GPIO，支持ISP；看门狗电路、时钟电路和掉电保存电路采用FM3104.FM3104是RAMTRON公司推出的一款高性价比的集成器件，内部集成看门狗、低压检测、定时器、时钟电路和铁电存储器。采用I2C通信。时钟电路和铁电存储器分别为两个地址，其中铁电存储器用于存储系统参数，如告警号码、遥测告警越限值等。
       
        2.1.2 TC35i接口电路
       
        西门子的TC35i是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，其频段为双频GSM 900 MHz和GSM1 800 MHz，支持数据、语音、短消息和传真。系统采用16C550扩展一个串口，以TTL电平的串行口方式和TC35i通信。
       
        2.1.3显示、键盘电路
       
        显示电路采用128×64液晶。液晶的接口片选由GAL16V8确定。为了简化系统设计，键盘采用集成电路ZLG7290，单片机与ZLG7290的通信采用I2C通信方式。
       
        2.1.4模拟信号采集电路
       
        模拟信号采集电路是由整定、隔离和转换3部分组成。不同的模拟信号整定电路部分不同，例如直流电压采用精密电阻分压法将0 V~400 V电压整定为0 V~4 V；而交流电压则采用电压互感器整定为0 V~4 V；隔离电路采用线性光耦。
       
        整定过的模拟信号经限压处理，一并输入多路开关。然后经过压频转换（V/F）后输入CPU处理。V/F转换采用集成电路AD654.AD654是美国模拟器件公司的一款低成本、8引脚封装的电压频率（V/F）转换器，其单电源电压为4.5 V~36 V；双电源电压为5 V~18 V；输出频率范围为0 kHz~500 kHz；线性误差为0.06%（250 kHz时）；输入阻抗为250 MΩ；其输入电压范围为单电源为0 V~Vs-4 V，双电源为-Vs~Vs-4 V.
       
        2.1.5数字信号采集电路
       
        数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。数字信号采用TLP521隔离后送至总线驱动器74HC244.GAL16V8产生74HC244片选，单片机每隔10 ms查询采集数字信号，并加入去抖动处理。
       
        2.1.6空接点输出电路
       
        空接点用于实现直流模块的开关机以及其他设备的控制。采用5 V继电器输出空接点信号。5 V继电器控制也由总线控制。数据口经74HC273和MC1413驱动后控制继电器。GAL16V8产生74HC273片选，可扩展多个空接点。
       
        2.1.7模拟电压给定
       
        模拟信号给定采用数字DS1845电位器分压实现。数字电位器将2.5 V基准电压分压后叠加总限流电压信号，放大输出作为直流模块调节电压的基准。
        2.2电路可靠性设计
          2.2.1屏蔽，隔离和吸收
       
        本系统设计的通信线路均采用屏蔽双绞线屏蔽外界干扰，并进行光电隔离。并将各范围内的模拟量输人信号统一转换为0 V~4 V的电压信号送至A/D转换器，为了提高系统抗干扰能力，采用差动放大器和隔离放大器。
       
        2.2.2接地
       
        信号接地保证同一逻辑系统的信号逻辑准确，消除同一逻辑系统的不等电位带来的干扰，保护接地保证了系统各部分的安全工作。而数字信号地和模拟信号地单点连接。信号地和大地采用3KV102电容连接。
       
        3系统软件设计
       
        3.1软件设计思路
       
        采用实时操作系统，即定时器T0产生10 ms中断，利用10 ms中断计数分别产生200 ms、500 ms和1 s任务。系统软件模块框图如图2所示。

       
       
        图2 系统软件模块框图

         
        3.2短消息模块无线传输
       
        短消息模块无线传输分为告警信息主动上传和被动召唤。告警信息是主动上传，而遥控、遥测和遥调则是通过短消息召唤或控制实现的。告警信息处理流程如图3所示。

       
       
        图3 告警信息处理流程图

         
        告警分为遥信告警和遥测告警。遥信告警实现方法：定义若干位为告警位，需产生告警的遥信接至该位置上，一旦触发该位置遥信，则产生告警信息。
       
        短消息模块的告警信息必须以汉字发送。而每个汉字采用UNICODE编码，占两字节，如“电0x7535子0x5b50”。将汉字转换成UNICODE编码在单片机下编程比较困难。因为直流电源监控的告警信息有限，并且微软的操作系统提供该类函数，所以需将所有用到的汉字以表的方式写入代码空间。根据直流系统不同的告警代码直接查取告警信息的UNICODE编码。遥控遥调信息处理流程如图4所示。

       
       
        图4 遥控信息处理流程图

         
        遥控、查询测量信息是以TEXT方式发送。当短消息模块接收下列格式的短消息后，并且密码正确，就将召唤直流电源信息按照接收号码返回短消息或者下发遥控命令，返回控制结果。
       
        短信内容格式：“；密码；功能码（；内容1）（；内容2）（；……）”。其中，密码为6个字符/数字；功能码包含2个字符，如表1所列；内容长度不定。如：查询系统测量信息短信内容格式：“；1234156；01”；遥控设备开关机格式：“；123456；02”。

       
       

       
        4结束语
       
        本系统针对直流电源传输信息少的特点扩展了短消息模块，为直流电源监控设计了无线传输方案。基于短消息传输的电源监控系统无需构建额外的无线通信网络，而是通过现有的覆盖面广，运行稳定的网络进行专用的无线数据传输。