基于多協議的電源分配系統設計

商枝江 丁偉

摘要：針對電源系統多輸入多輸出的電源分配應用場景，提出了一種基于多協議控制的電源分配系統，通過基于嵌入式單片系統進行外圍電路設計，實現了電源輸入輸出分配的管理功能，通過設計網絡接口、CAN接口及RS232接口等，實時采集車載電源電壓、電流等特性參數，實現了電源分配系統的輸入、輸出分配控制及電源特性監測，提高了供電系統在電源分配電時的可靠性。

關鍵詞：電源管理;電源分配;遠程控制

電源系統作為電子信息系統的基礎支撐環境，電源分配系統作為電源系統的核心設備，電源分配系統是將輸入電源整合分配，通過一定策略將電力供給到后端用電設備，起到對系統電源的管理作用。電子信息系統中電源分配系統一旦發生故障，必然使系統功能喪失，如果電源分配系統未能及時隔離故障并處理，還可能引發嚴重的二次危害。因此，電源分配系統的狀態信息、安全防護及遠程控制方面在電源系統中至關重要。電源分配系統的智能化是發展的必然趨勢，并且要求對電源分配系統的監控應具有良好的實時性與可靠性，同時還要留存監控及操作日志以便對故障進行分析定位。基于上述需求，本文提出了一種基于多協議多接口的智能電源分配系統，經WEB界面可實現電源分配系統的狀態顯示及供電控制，通過網絡接口、CAN接口及RS232接口實現系統的級聯及互聯互通。

電源分配系統主要由WEB服務器、電源分配控制器構成，以以太網、CAN及RS232作為數據傳輸方式實現監控及控制數據傳輸，系統組織運用框圖如圖1 所示。

操作計算機通過瀏覽器訪問電源分配設備，實現人機交互與遠程控制。電源分配控制設備作為系統的承載平臺，完成對輸入輸出電源信息的采集及電源分配，故障及報警的上報工作。

隨著數字技術的發展，基于WEB的遠程控制技術得到越來越多的應用。基于WEB的遠程控制技術可實現在不同操作系統下的遠程控制，同時不需要進行復雜的客戶端部署，在系統升級更新方面有著較強的優勢。本系統軟件采用B/S 架構，在嵌入式硬件環境上實現WEB服務，實現系統軟件功能。用戶可通過任意瀏覽器對電源控制設備的遠程登錄，可以跨平臺地對電源進行實時監控，電源分配系統軟件設計功能如圖2所示。

電源分配系統軟件功能包含圖像交互界面、電源分配控制、設備參數設置、信息查詢等。

圖像交互界面實現用戶登錄、設備控制按鍵、設備狀態信息顯示及告警信息顯示等功能。用戶登錄界面根據不同用戶角色的設定用戶的使用權限。設備控制按鍵用于遠程控制設備的開關機控制。狀態顯示及告警提示對設備實時運行信息及告警信息進行顯示。

電源分配控制實現對電源輸入及分路輸出的控制，包含通過TCP/IP的WEB控制、通過CAN或RS232接口的命令控制和按照預設的安全保護值及出現故障后的自動控制等。

設備參數值設置包含設備時間設置、用戶權限設置及安全閾值設定。時間設置實現設備的系統時間，用戶權限設置用于設置設備的使用角色及使用權限，安全閾值設備實現設備電壓、電流、漏電的報警及保護切斷閾值設置。

信息查詢功能實現設備運行狀態信息查詢、故障信息查詢及告警信息查詢功能。

電源分配系統硬件平臺是電源分配系統的承載平臺，本文的硬件平臺采用基于STM32單片機的硬件系統。系統硬件系統包含了MCU系統、采集單元、計量單元、報警單元、控制單元及通信單元等組成，系統硬件框圖如圖3所示。

MCU系統負責計量單元的配置，數據讀取及采樣單元的數據讀取，從而得到電源特性參數，同時，MCU系統單元負責驅動控制單元，通信單元和報警單元，實現遠程智能控制功能。MCU系統選用STM32單片機，是一種基于ARM Cortex-O內核，專門針對低功耗、低成本、高性能嵌入式應用所設計，其實施性能和功耗控制等都較為優良，能夠最大限度的進行整合和集成，同時便于開發，同時涉及了針對嵌入式應用底層化的新型內核，方便協議通信協議的移植。

采樣單元負責對輸入輸出電源的電壓、電流特性進行采樣，再通過計量單元對采樣信號進行分析和處理。

報警單元采用三極管驅動蜂鳴器，在系統出現故障時，通過MCU系統導通三極管，從而驅動蜂鳴器，發出報警信號通知維護人員。

控制單元是由達林頓陣列驅動芯片和繼電器組成，通過MCU系統控制達林頓陣列驅動芯片，驅動繼電器，控制電源輸出，從而達到控制用電設備開關及電源分配功能。

通信單元包含2路CAN接口、1路網絡接口及1路RS232接口，其中CAN采用一種標準的高速CAN收發器是控制器區域網絡（CAN）協議控制器和物理總線之間的接口，可以為總線提供差動發送性能，為CAN控制器提供差動的接收性能。1路網絡采用帶SPI接口的獨立以太網控制器，是IEEE 802.3兼容的以太網控制器，集成MAC和10 BASE-T PHY，支持全雙工和半雙工模式。對外通過CAN接口、網絡接口及RS232接口，實現遠程控制的功能。

針對電子信息系統的對電源分配系統的智能化需求，本文提出了基于多協議接口的電源分配系統，系統通過網絡、CAN及RS232對用系統電源輸入輸出進行遠程管理和監控，用戶可以突破時間和地域限制，輕松地控制各個用電設備的開、關、重啟;遠程監控供電電源狀態及設備用電狀態，用電異常時自動切斷電源，并通過蜂鳴報警通知維護人員;用戶對各個用電設備可依彼此間的依賴關系進行開關機順序設定，可分為強制性順序開關及非強制性順序開關;用戶可設定各個用電設備在某個時段內進行開關電源控制;系統中多臺設備可級聯適用，便于擴展。

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