開關(guān)電源接口電路及故障監(jiān)控系統(tǒng)的研究

葛維軍

(南通職業(yè)大學(xué)技師學(xué)院，江蘇南通226007)

開關(guān)電源接口電路及故障監(jiān)控系統(tǒng)的研究

葛維軍

(南通職業(yè)大學(xué)技師學(xué)院，江蘇南通226007)

隨著工業(yè)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源越來越多地出現(xiàn)在了工業(yè)生產(chǎn)、工作生活等各個(gè)方面，其工作的穩(wěn)定性以及工作效率的高低直接影響到開關(guān)的性能和使用領(lǐng)域。首先介紹了常用的開關(guān)電源監(jiān)控接口電路工作原理，設(shè)計(jì)了一種基于無線射頻傳輸?shù)谋O(jiān)控接口電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于此類接口電路的開關(guān)電源故障監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有一定的借鑒意義。

開關(guān)電源；故障監(jiān)控；無線傳輸；接口電路

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷進(jìn)步，電力電子技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，各種用電設(shè)備成為生產(chǎn)生活中不可或缺的角色。而這些電力電子設(shè)備的運(yùn)行，無一例外地會(huì)應(yīng)用到電源系統(tǒng)。其中，高頻開關(guān)電源成為了電源系統(tǒng)的重要組成部分。

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。它主要具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、效率高、穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等基本特點(diǎn)，是常規(guī)線性開關(guān)的良好替代品，已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中[1]。

開關(guān)電源的應(yīng)用提高了電源的使用效率。但是，它工作的穩(wěn)定性又直接影響著用電設(shè)備的可靠性和安全性，所以，實(shí)時(shí)地對開關(guān)電源進(jìn)行有效監(jiān)控就顯得尤為重要。

開關(guān)電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是通過電源與計(jì)算機(jī)的通信模塊完成與監(jiān)控中心的信息交換，這些信息中包含著電源系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)信息，以便監(jiān)控中心利用這些信息對開關(guān)電源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效地分析；同時(shí)還能夠接收來自監(jiān)控中心的各種監(jiān)測與遙控命令，使開關(guān)電源在這些命令的指導(dǎo)下執(zhí)行各種命令，例如開、關(guān)機(jī)和均、浮充等。

在整個(gè)開關(guān)電源監(jiān)控系統(tǒng)中，開關(guān)電源與計(jì)算機(jī)通信模塊間的數(shù)據(jù)交換是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。目前，大多數(shù)的開關(guān)電源都是利用RS323接口來構(gòu)建一條數(shù)據(jù)通道來進(jìn)行開關(guān)電源與監(jiān)控單元之間的數(shù)據(jù)通信，這種通信方式布線復(fù)雜、不利于維護(hù)。因此，本文提出了一種利用無線傳輸方式構(gòu)建上下位機(jī)數(shù)據(jù)通信的方式來解決這一問題。

1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以無線方式構(gòu)建開關(guān)電源監(jiān)控系統(tǒng)，最大的優(yōu)勢在于省去了布線的繁瑣，減少了維護(hù)的工作量。它是利用分布在終端節(jié)點(diǎn)上傳感器，來采集開關(guān)電源系統(tǒng)的各種狀態(tài)參數(shù)，主要有輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、溫度等信息，將這些信息利用無線射頻的方式輸出至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)相連，上位機(jī)中設(shè)置監(jiān)控程序，可以設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)值，來衡量采集數(shù)據(jù)的合法性，從而判定開關(guān)電源的運(yùn)行狀態(tài)(正常、過流、過壓、過熱)。同時(shí)以此狀態(tài)來決定系統(tǒng)的工作方式 (運(yùn)行/停止)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，整個(gè)開關(guān)電源的監(jiān)控系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分別為底層數(shù)據(jù)采集控制及短距離無線通信層、通信層、服務(wù)器及客戶端層，具體解釋為：

(1)底層數(shù)據(jù)采集控制及短距離無線通信層：底層數(shù)據(jù)采集層選用ZigBee技術(shù)來完成，每個(gè)開關(guān)電源都裝有基于Zig-Bee的終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)上帶有傳感器及相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一方面可以采集開關(guān)電源上的電流、電壓、溫度等信息，并將這些信息通過無線射頻的方式發(fā)送至底層通信網(wǎng)的協(xié)調(diào)器模塊；另一方面接收來自于協(xié)調(diào)器發(fā)出的ZigBee信號，并根據(jù)信號進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作控制。

整個(gè)底層數(shù)據(jù)采集與控制層采用無線傳感網(wǎng)技術(shù)，以Zig-Bee技術(shù)作為基礎(chǔ)網(wǎng)的構(gòu)建核心，每個(gè)單體處理器采用CC2533，整個(gè)網(wǎng)采用簇狀-樹型結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)方式如圖2所示。在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，處于網(wǎng)絡(luò)終端的為終端節(jié)點(diǎn)，通過CC2533的引腳連接各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；處于中間的為路由節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；最后的為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，各種采集數(shù)據(jù)由協(xié)調(diào)器通過網(wǎng)關(guān)上傳至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的操作命令也由協(xié)調(diào)器發(fā)送至各終端節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2 ZigBee簇-樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用Z-stack協(xié)議棧。

(2)通信層：該層由嵌入式網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行效率，一般采用嵌入式ARM芯片來完成，它承擔(dān)的主要作用是數(shù)據(jù)協(xié)議棧的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，與協(xié)調(diào)器采用串口進(jìn)行通信。在本設(shè)計(jì)中，網(wǎng)關(guān)由飛凌嵌入式ARM11-S3C6410開發(fā)板來擔(dān)任。核心板主頻選533 MHz，具有128 M字節(jié)DDR內(nèi)存，256 M Byte Nand Flash，并且支持8Bit硬件糾錯(cuò)算法，存儲(chǔ)安全可靠，它的擴(kuò)展模塊還包括了3G、GPS、GPRS、WIFI、攝像頭、CAN/485總線、VGA/TV等數(shù)十種[2]，可以有效地?fù)?dān)當(dāng)起網(wǎng)關(guān)的作用。

遠(yuǎn)程通信的方式可以采用3G方式，也可以利用485總線以以太網(wǎng)的方式進(jìn)行通信，依據(jù)具體工作場合所定。

(3)控制中心：控制中心由服務(wù)器來擔(dān)當(dāng)，服務(wù)器中創(chuàng)建相應(yīng)數(shù)據(jù)庫及監(jiān)控程序，利用監(jiān)控程序來分析存放在數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并依據(jù)所設(shè)定的算法進(jìn)行設(shè)備的開啟、關(guān)閉等控制操作。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，開關(guān)電源與監(jiān)控系統(tǒng)的接口部分主要由ZigBee節(jié)點(diǎn)來擔(dān)任，所以接口電路的設(shè)計(jì)就主要集中在電源供給接口電路、USB轉(zhuǎn)串口接口電路、調(diào)試接口和其它的一些傳感器或受控模塊的接口的設(shè)計(jì)上。因?yàn)槠蓿疚闹涣谐鲭娫垂┙o接口和USB轉(zhuǎn)串口接口電路的設(shè)計(jì)。

2.1 電源供給接口電路設(shè)計(jì)

電源實(shí)現(xiàn)的功能主要為核心板等提供穩(wěn)定的3.3 V電壓，同時(shí)為一些需要電壓相對較大的傳感器模塊等提供5 V電壓或者3 V電壓。另外在該模塊中還包括了重啟功能。電源模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 電源模塊接口電路設(shè)計(jì)

在供電方式上支持USB供電、調(diào)試接口供電和4節(jié)干電池供電，只要將電源接入相應(yīng)的引出的接口即可相對比較靈活。該模塊中起核心作用的是REG1117-3.3穩(wěn)壓芯片，其主要功能是將輸入的電壓(5 V左右)轉(zhuǎn)成穩(wěn)定的3.3 V電壓，輸出電流為800 mA，周圍的電容主要起去耦作用。

2.2 USB轉(zhuǎn)串口模塊設(shè)計(jì)

USB轉(zhuǎn)串口即實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)USB接口到通用串口之間的轉(zhuǎn)換，為沒有串口的計(jì)算機(jī)提供快速的通道，而且，使用USB轉(zhuǎn)串口設(shè)備等于將傳統(tǒng)的串口設(shè)備變成了即插即用的USB設(shè)備。在本系統(tǒng)中，因?yàn)橛袝r(shí)候上位機(jī)裝在沒有串口的設(shè)備上，例如筆記本電腦上，這樣就需要使用筆記本的USB口來完成通信功能。在實(shí)際的應(yīng)用中經(jīng)常使用USB轉(zhuǎn)串口線或者USB芯片來完成，但是由于USB轉(zhuǎn)串口線相對不是很穩(wěn)定而且還需要專門配線，所以本系統(tǒng)將USB轉(zhuǎn)串口功能集成到地板上，這樣只要在控制端上有對應(yīng)的USB轉(zhuǎn)串口芯片的驅(qū)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)串口通信的功能。該模塊的原理圖如圖4所示。

圖4 USB轉(zhuǎn)串口原理圖

該電路中的采用的USB轉(zhuǎn)串口芯片是常用的CH340G，封裝方式為SOIC16，計(jì)算機(jī)端Windows操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容，無需修改。而且硬件為全雙工串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通訊波特率50 bps～2 Mbps，完全支持ZigBee使用的波特率。

[1]劉明明.高頻開關(guān)電源及應(yīng)用設(shè)計(jì)教程[M].北京：北京希望電子工業(yè)出版社，2002.

[2]王韋偉.基于ZigBee的智能家居無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].宿州學(xué)院學(xué)報(bào)，2014,29(7):80-83.

Research of switch power supply's interface circuit and fault monitoring and control system

With the development of the industry and power electronic technology,switching power supply were turning up in many aspects,such as industrial production,work and life.The performance of the switch and using areas were directly influenced by its work stability and the working efficiency.The commonly used switch power supply monitor interface circuit working principle was introduced.A kind of monitoring based on wireless rf transmission interface circuit was designed.The experimental results show that the switching power supply fault monitoring system based on this kind of interface circuit work is stable,strong real-time performance,and has a certain reference significance.

switching power supply;fault monitoring;wireless transmission;interface circuit

TM 712

A

1002-087 X(2015)10-2232-02

2015-07-01

葛維軍(1963—)，男，江蘇省人，本科，高級實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)、電子元件、自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用。