1 引言
通信電源通常被稱為通信系統的心臟，其工作不正常，將會造成通信系統故障，甚至導致整個系統癱瘓。美國APC公司的一項調查結果表明，大約有75%以上的通信系統故障都是由于電源設備故障或者是電源設備不符和技術條件而引起的。同時隨著通信電源向小型化、模塊化發(fā)展、供電方式由集中供電向分散供電轉變，以往的人工監(jiān)控模式難以適應，從而使得可靠性更加難以保障。為此，我們研制了一套本地用通信電源監(jiān)控系統，該系統采用模塊化、通用化設計，從而具有較高商業(yè)價值和研究意義。
根據《通信電源和空調集中監(jiān)控系統技術要求》中的定義，通信電源監(jiān)控系統所要實現的基本功能有：一是對通信電源設備的監(jiān)測與控制，主要由監(jiān)控模塊負責完成；二是對監(jiān)測數據的記錄、處理、管理和分析，主要由縣級監(jiān)控中心和區(qū)域監(jiān)控中心共同負責完成[1-2]。在本系統中，采取了將傳統的三層結構簡化為兩層結構的方案，而且下位機部分應能夠脫離上位機單獨工作。因此，下位機部分必須能夠完成監(jiān)控模塊的全部功能和監(jiān)控中心的部分功能。下文將著重對該通信電源監(jiān)控系統下位機硬件電路的設計思想和實現方案進行了詳細地論述。
2 系統的總體監(jiān)控要求
目前的通信電源系統中采用了許多新技術、新工藝，其自身的可靠性和智能化程度都有了很大的提高，對集中監(jiān)控的要求也就相應的降低。因此在選擇監(jiān)控對象時應盡量精簡，以方便、實用為基本準則，可要可不要的監(jiān)控對象應盡量取消，以遙測、遙信為主，遙控為輔。
下位機所要完成的主要功能是：實現數據的現場采集、實時響應遠端控制、監(jiān)測系統的異常情況、并進行聲光報警以及緊急處理；同時在上位機出現故障或通信網絡故障的情況下，能夠獨立完成監(jiān)控任務。
3 硬件電路的設計
從以上的分析可以看出，在通信電源監(jiān)控系統中，所需采集和處理的數據量較大，如果只使用單個的處理器可能會造成系統的負荷過重，穩(wěn)定性和可靠性都難以保證。因此，在本系統中采用了松耦合結構的多微處理器系統。這種系統具有處理能力強、響應速度快、可靠性高以及配置靈活的優(yōu)點。多微處理器系統通常由一組主、從部件和互聯網絡組成，其常規(guī)結構如圖1所示：中央處理器負責完成系統中的主干功能，中間處理器和現場處理器配合中央處理器完成一些輔助性的工作，比如數據采集、通信等功能；
互聯網絡是實現多微處理器系統的關鍵，各個處理部件之間依靠它進行數據的交換。基于以上的分析，在兼顧功能要求和便于系統軟件設計的基礎上，本系統共采用了三個微處理器：其中主處理器部分采用了MC68332微處理器，通信處理器部分采用了DS80C320，蓄電池監(jiān)控單元則采用了ATS5150，系統的總體設計方案原理框圖如圖2所示。
圖1 常見多微處理機結構圖
圖2 系統硬件原理框圖
按照模塊化的要求，系統共分為微處理器及外設模塊、模擬量采集模塊、開關量采集模塊、控制量輸出模塊、人機接口模塊、聲光報警模塊以及通信模塊。
3.1 主處理器及其外設模塊
主處理器部分采用了MOTOLORA公司的32位微控制器MC68332，它是一種積木式的單片機，具有卓越的數據處理能力和強大的外圍子系統，主要包含以下幾個微處理模塊：系統集成模塊（SIM）、中央處理單元（CPU32）、時間處理單元、以及靜態(tài)RAM模塊。同時為了進一步增強系統的功能，擴展了以下幾個部分：1）數據不揮發(fā)存儲器；2）看門狗電路；3）主從處理器互聯模塊；4）實時時鐘電路。
3.2 模擬量采集模塊
模擬量采集模塊主要包括信號預調理電路、量程在線轉換電路以及模數轉換主電路。
3.2.1 信號預調理電路
信號預調理電路的作用在于將不同范圍的電壓、電流信號轉換為模擬開關和模數轉換器所要求范圍的電壓信號。針對不同的信號必須采用相應的預調理電路，此處對交流電壓、電流信號調理部分均采用了電流型的互感器；直流電壓的調理電路采用了帶負反饋的光隔放大電路；直流電流的調理采用了霍爾傳感器，同時為了調整方便，將霍爾傳感器的輸出經過電阻分壓以后，通過兩級反向放大后送入A/D轉換器。
3.2.2 量程在線轉換電路
在通信電源監(jiān)控系統中，由于所要處理的信號十分復雜，電平高低相差很大。因此，如何實現測量量程的在線轉換，一直是人們所關注的問題。通常的轉換方法是采用程控增益放大器，或者是多路輸入的形式，這必然以增加電路的復雜性和降低可靠性作為代價。本系統中采用了數字電位計X9241來實現測量量程的在線轉換。XICOR公司的X9241內部集成了四個非易失性E2POT。其中每一個E2POT包含有63個電阻單元，一個滑動端計數寄存器（WCR）和四個可以由用戶讀出和寫入的8位數據寄存器。滑動端計數寄存器的內容用來控制滑動端在電阻陣列中的位置，并且可以和數據寄存器之間進行雙向的數據傳輸。其具體的通信規(guī)約和時序可參見參考文獻[3]。
由于MC68332沒有I2C接口部件，與X9241的互聯很不方便。但是通過時序分析發(fā)現，可以通過通用I/O總線和一個定時器來模擬I2C總線的功能，即采用處理器的兩根口線分別作為SDA和SCL總線，通過內部定時器產生所需要的時鐘。具體電路連接電路如圖3所示。
圖3 測量量程在線轉換電路
從理論上講，利用數字電位計可以實現任意量程的轉換。但由于模數轉換器精度的限制以及通信電源監(jiān)控系統高實時性的要求，選取過多的轉換點反而會收到事倍功半的效果。通過試驗發(fā)現，只需1：1，1：2，1：5，1：10，1：20，和1：50六種量程就可以保證輸入信號在模數轉換器的2/3量程附近，因此，在這里巧妙的利用了滑動端計數寄存器和數據寄存器之間的雙向數據傳輸功能，實現上述六種量程在線轉換。具體的實現方法是：在兩個E2POT的R0中存儲值為01H，由于上電復位時滑動端計數寄存器會自動裝入R0中的值，因此初始化時，放大器為一跟隨器，當需要測量微弱電流時，根據初次采集得到的值，與事先設定的參考值進行比較，選擇合適的量程進行放大后重新采集。
在采用這一技術之后，數據采集的精度有了較大的提高。但同時這一電路有時會在輸出端產生振蕩，造成輸出波形失真，解決方法是在放大器輸入和反饋端串聯兩個電阻，增加其到輸入端的衰減通道。
3.2.3模數轉換主電路
在模數轉換部分，根據系統采樣精度和速度的要求，我們采用了AD公司的高速模數轉換ADS774。它是一種采用CMOS技術的低功耗、高采樣速度的12位模數轉換器，從模擬量輸入到轉換結束的時間為8.5us,采樣頻率可達117khz，而且具有內部的采樣和保持電路，其自身就是一個完備的數據采集系統。ADS774的具體工作時序和工作原理可參見文獻[3]，在此不再敷述。
3.3 開關量采集模塊
開關量的采集正確與否直接影響控制的準確程度。作為通信電源監(jiān)控系統中的開關量采集電路必須滿足幾點要求：一是采集電路的接入不能干擾原電源設備的工作狀態(tài)；二是采集電路不允許有誤讀，否則將會引起監(jiān)控系統的誤控；三是開關量調整后應該符合監(jiān)控系統的接口要求，低電平為0~1V，高電平為3.6~5V。這就要求采集電路必須具有較高的可靠性和隔離度[4]。圖4給出了開關量采集電路的調理電路。
圖4 開關量信號采集電路
3.4 人機接口模塊
人機接口模塊包括鍵盤和顯示模塊。由于本系統定位于無人值守，對鍵盤功能的要求相對較弱，因此我們采取了4*4的行列式鍵盤。顯示模塊則采用了內藏HD61202控制芯片的LCM19264A液晶顯示模塊，可以顯示四行、十二列的漢字。
3.5 通信模塊
下位機作為直接面向設備的從機需要與上位機進行遠程通信，同時下位機還要作為主機與各種智能設備通信。因此在本系統同時采用了RS232和RS485兩種通信方式，其中下位機與上位機之間通過PSTN網與上位機之間通信，完成獲取參數、傳輸數據、遠程報警等功能；下位機與各種智能設備之間通訊通過RS485組網獲取數據及其狀態(tài)[5]。
通信模塊采用了單獨的微處理器DS80C320，它在普通單片機的基礎上為P1口也定義了第二功能，從而擁有四個全雙工的串行通信口、六個外部中斷、三個定時/計數器，同時在指令上與8051兼容，對于監(jiān)控系統的通信單元來說十分適用。
3.5.1下位機與上位機之間的通信
下位機與上位機之間的通信媒介采用了PSTN網在本系統中采用了擴展一個標準的全功能RS232通信口，通過外置MODEM連至PSTN網的方法來實現下位機與上位機之間的通信。其實現電路如圖5所示：
圖5 DS80C320與MODEM硬件接口圖
圖中8251是通用同步/異步收發(fā)器，它具有獨立的接收器和發(fā)送器，通過編程可以以單工、半雙工獲全雙工的方式進行通信。同時它還提供了多個與MODEM連接所需的控制信號，可以很方便的實現與MODEM之間的互聯。
3.5.2 下位機與智能設備之間的通信
下位機與智能設備之間采用RS485通信的主從式組網方式。RS485采用平衡發(fā)送和差分接收的方式來實現通信，具有很強的抗共模干擾的能力，其傳輸距離在10Kbps的傳輸速率時可達1.2公里。具體的實現方案如圖6所示。
圖6 RS485通信的整體實現方案
3.6 控制量輸出模塊
控制量的輸出電路如圖7所示。圖中OUT為處理器輸出的開關量控制信號，與外部通過光耦和繼電器兩級隔離。由于繼電器的驅動線圈有一定的電感，在關斷瞬間可能會產生較大的電壓，因此在繼電器線圈兩端反并聯了一個吸收二極管。
圖7 控制量輸出電路圖
3.7 聲光報警模塊
當系統出現異常情況時，下位機在通過遠程通信網絡向上位機發(fā)出報警信息，同時通過兩片8155的定時器控制蜂鳴器和發(fā)光二極管進行本地的聲光報警。其具體實現電路如圖8所示。
圖8 聲光報警原理電路圖
3.8 輔助電源模塊
通信電源監(jiān)控系統作為通信電源系統的檢測和控制模塊，自身必須具有較高的可靠性，因此其輔助電源模塊通常由蓄電池供給。
本系統有多種不同電源要求：+5V用于提供微處理器核心電壓；-5V用于提供部分運算放大器的偏置電壓；±12V電壓用于提供模數轉換器電壓、隔離+5V用于提供通信接口電壓；-8V可調電壓用于提供LCD偏壓。這里提出了如下多路供電電源方案：采用一個隔離型DC/DC 獲得系統主電源然后由系統主電源利用多個非隔離DC/DC電路獲得各種電源。由于本系統中除主電源之外，其它輔助電源功率相對較低且多數不需要和主電源隔離，因此應用這種方案可以方便的實現多路輸出的小功率電源。
由蓄電池（電壓范圍35V至-75V）產生+5V主電源的電路如圖9所示。其余幾路電源均可由此主電源通過簡單的DC-DC變換器實現：-5V偏壓：可由MAX660反壓型電荷泵（最大電流100mA）獲得；±12V電壓：可由MAX743(內部集成了一個升壓型和一個反壓型DC-DC變換器，輸出功率可達3W)獲得；隔離+5V：可由MAX845獲得一個小功率的隔離電壓。上述的具體電路可參閱MAXIM公司產品手冊。
圖9 48V輸入、+5V輸出主電源
4 實驗結果及結論
以直流電壓和交流電壓（以A相交流輸入為例）信號測試結果為例，給出測試結果如表1、2所示。
表1 直流電壓信號測試結果表 表2 交流電壓信號測試結果
從實驗結果可以看出，這套采用微處理器及外設模塊、模擬量采集模塊、開關量采集模塊、控制量輸出模塊、人機接口模塊、聲光報警模塊以及通信模塊作為硬件電路單元的通信電源監(jiān)控系統完全可以滿足《通信電源和空調集中監(jiān)控系統技術要求》中的規(guī)定。本產品已研制成功并投入使用。實踐證明，本系統具有采集精度高、成本低廉、便于升級的優(yōu)點，對于目前已相當普遍的本地用通信電源系統十分適用。
