基于C8051F021的直流電源監控系統

2019-11-03 10:03:36

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供稿：網友

呂勇軍，許曉峰

　　摘　要：介紹Cygnal單片機C8051F021和智能直流高頻開關電源系統的特點及功能。文中給出一種基于C8051F021的微機監控直流系統的構成方法并討論了微機監控模塊的工作原理。

　　關鍵詞：單片機；監控；直流電源；蓄電池

1C8051F021單片機簡介

1.1Cip-51內核

　　C8051F021使用Cygnal的專利CIP-51內核，與MCS-51指令系統完全兼容。采用流水線結構，大大提高了指令運行的速度，最大速度可達25MIPS。此外，還提供22個中斷源、片內獨立工作的時鐘發生器、電源監視器、看門狗等設備，以增加SOC芯片的功能。

1.2存儲器

　　C8051F021有64K字節的可在系統編程的Flash程序存儲器，其地址為0x0000～0xFFFF。它有內部數據RAM256字節，其中高128字節分為兩部分地址空間，一部分是RAM區，另外一部分是特殊功能寄存器區。通過不同的尋址方式來區別這兩個區(RAM采用間接尋址，特殊功能寄存器區采用直接尋址)。低128字節數據RAM既可用直接尋址又可以用間接尋址。C8051F021還有位于外部數據存儲器地址空間的4K字節的RAM塊。它還提供了64K字節的外部數據存儲器接口，用于訪問片外存儲器和存儲器映像的I/O器件。

1.3模擬通道

　　C8051F021內部集成了一個功能強大的ADC子系統，它包括一個9通道的模擬多路開關、一個可編程增益放大器和一個100ksps的12位分辨率的逐次逼近型A/D轉換器，內置一個1.2V、15ppm/℃的電壓基準。該子系統還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。可編程增益放大器的增益分為6級，最大增益為16，可由軟件編程實現。在模擬通道中，前8個通道用于對外部模擬信號的測量，第九通道接到內部溫度傳感器，用來測量芯片溫度。通過軟件編程，可以設置外部輸入為單端輸入方式或差分輸入方式。可編程窗口檢測器能夠自動地、不停地將A/D轉換結果與用戶編程所設置的極限值進行比較，越限則立即通知控制器。

　　C8051F021有兩個12位電壓輸出方式的DAC，每個DAC的輸出均為0V～VREF1LSB。

1.4數字通道

　　C8051F021具有4個8位的I/O端口，每個端口的引腳都可以由程序配置為推挽或漏極開路輸出。此外，還引入了數字交叉開關，即數字開關網絡。通過該網絡，可以將內部數字系統資源分配給P0、P1和P2端口的各I/O引腳。用戶通過軟件編程控制該開關網絡，可以將片內的計數器/定時器、串行總線、硬件中斷、A/D輸入端等配置后使其出現在所需的端口，因此使用戶能夠根據自己需要選擇通用端口和所需數字資源的組合。C8051F021具有片內JTAG接口和邏輯。

1.5串行通訊設備

　　C8051F021內部有兩個全雙工的異步串行口UART0和UART1。它們除了具有標準串行口的功能外，還具有幀錯誤監測和地址識別硬件。還有一個完全符合系統管理總線標準的串行接口SMBus和一個串行外設接口SPI。這些串行總線都完全由硬件實現，且都可以產生中斷。它們不共享定時器、中斷、或I/O端口，因此可以同時使用所有的串行口。

2直流高頻開關電源系統

2.1功能與特點

　　(1)智能化管理蓄電池，嚴格按照蓄電池的充電曲線運行，對蓄電池的均充和浮充以及切換全部自動完成。(2)通過實時測量電壓、電流、溫度等系統參數，監視整個系統的運行狀態。(3)采用大屏幕液晶顯示器，可顯示系統參數、故障狀態等信息；通過鍵盤還能夠進行系統參數的設置與修改，并可進行系統操作。(4)系統采用雙微機監控模塊結構，主監控模塊處于運行方式，而副監控模塊則處于熱備用運行方式，以提高系統的安全性能。(5)微機監控模塊有RS485串行通訊接口，便于與RTU或綜合自動化系統通訊，實現“遙測”“遙信”等功能。(6)對輸出電流的響應速度極高，增強了系統的負載適應能力。

2.2系統結構

　　智能直流高頻開關電源系統的原理框圖如圖1所示。三相交流電源輸入到開關電源整流模塊，經整流模塊輸出220V直流電壓；該電壓與蓄電池組并聯后提供合閘母線電壓；合閘母線電壓經過調壓模塊的調整后輸出控制母線電壓。開關電源整流模塊利用高頻開關電源技術實現交直流的轉換，它的輸出電壓可由外部控制，也就是說它是輸出電壓可以隨時調節的整流模塊，這就便于利用微機控制它的輸出電壓的大小。智能系統的目的就是使直流系統中的直流母線電壓能夠時刻滿足系統的要求，對系統的故障能夠自動檢測并發出告警信號，以保證系統工作的可靠性。該系統的控制核心是微機監控模塊，它實時監測交流輸入電壓、各直流母線電壓、充電機電流、蓄電池電流及蓄電池溫度等模擬信號，并依據系統參數的設定值來判斷系統狀態，進行必要的操作與調整。諸如蓄電池的均、浮充之間的切換與控制、整流模塊輸出電壓的調整、系統數據的顯示、故障狀態顯示及報警等。電池監測模塊完成對蓄電池組中所有單只蓄電池端電壓的測量后，通過RS485串行接口將測量數據傳送到微機監控模塊。

3微機監控模塊

3.1微機監控模塊功能

　　(1)系統監測。(2)系統控制及保護。(3)蓄電池的智能管理。(4)系統通訊。

3.2監控模塊的工作原理

　　圖2是微機監控模塊的原理框圖。以C8051F021測量輸入的模擬信號和輸出調壓模擬信號。根據被測信號是否需要隔離來區分輸入信號，分別處理。其中交流電壓信號取自交流電壓互感器，直流電流取自霍爾電流互感器，測溫選用集成溫度傳感器AD590，對上述信號測量時不需要隔離，進行適當放大處理即可進入C8051F021的A/D通道。測量直流母線電壓采用電阻取樣，由于取得的被測信號與直流系統在電氣上是相連的，因此，為保證測量系統的準確性與安全性必須對被測信號進行隔離。本模塊中對這些通道采用了高精度的線性光電耦合器隔離，隔離后的信號再經放大進入A/D通道。輸出調壓信號由C8051F021中的D/A轉換器實現，D/A輸出的信號經過功率放大之后驅動調壓模塊，調整直流母線電壓。除了上述模擬信號的測量與控制功能外，單片機還接受諸如模塊故障、風機狀態等開關量信號輸入，這些信號都是通過中斷響應的。單片機根據所測量的各種信號及系統參數的設定值，作出判斷，并給出相應的控制信號輸出，包括通過D/A輸出調壓信號和經驅動后控制繼電器輸出相應的開關信號。此外，單片機還負責管理大屏幕液晶顯示器，顯示文種為中文，顯示方式為下拉式菜單，顯示內容包括主菜單、測量數據、系統設置、系統告警等子菜單；負責管理鍵盤，響應對系統的操作和對系統參數的設置與修改。本監控模塊利用C8051F021具有的兩個異步串行口分別完成對上位機的通訊和與監測蓄電池的下位機的通訊。

3.3主副監控的切換

　　微機副監控模塊的功能與主監控模塊基本相同。在硬件的配置上，除了顯示器采用LED數碼管而不是大屏幕液晶顯示器之外，基本上與主監控模塊相同。

　　對副監控所有的系統參數的設置均與主監控相同。正常工作時，副監控處于非工作狀態，它的顯示屏幕上顯示待機狀態。但它實時監測系統的所有模擬信號并對系統進行工作狀態的判定，與主監控不同之處是它不顯示任何測量結果與狀態，且不參與系統的控制。此時由主監控負責控制系統，而對系統控制權的切換卻由副監控掌握。當直流母線電壓出現越限并且越限時間超過規定范圍仍未能恢復正常時，副監控便奪過對系統的控制權，實行對系統的控制，同時發出主監控異常信號。待主監控恢復正常后，人為控制將監控權切換到主監控。3.4監控模塊的軟件設計

　　監控模塊的軟件設計采用匯編語言，在設計時，首先實現一個簡煉的主程序，然后在此基礎上，把所有要完成的功能編制成相應的任務模塊。根據模塊各自的特點，或者由系統統一調度，或者在響應中斷后執行。

　　主要軟件模塊有：

　　(1)系統自整定模塊：其功能是完成系統的自動整定，包括整機硬件設備的自檢、自診斷、繼電器狀態的設定等。

　　(2)數據采集及處理模塊：主要功能是完成交、直流電流、電壓信號、溫度等模擬信號的采樣并計算出其相應的數值。

　　(3)計算和調整模塊：根據采集的模擬信號和輸入的開關量，通過計算、分析，確定是否需要調壓以及調整方向和它的步長值。輸出控制調整信號，控制調壓模塊調整輸出電壓。根據分析結果，輸出相應的開關量。

　　(4)鍵盤處理模塊和顯示模塊：鍵盤處理模塊完成按鍵的識別功能，并在確認有效按鍵后調用相應按鍵功能函數進行處理。顯示模塊則負責管理顯示主菜單以及各種子菜單，并將顯示緩沖區內的內容按要求顯示出來。

　　(5)通訊模塊：完成異步串行口接口管理功能，串口1負責接收上位機的控制命令，向上位機發送數據及狀態。串口2負責管理并接收測量蓄電池的下位機的測量數據。

4結束語

　　本文所介紹的智能直流高頻開關電源系統中的微機監控模塊采用單片機C8051F021，充分利用該片上系統的強大的模擬及數字資源，簡化了硬件電路，提高了系統的可靠性，同時也提高了監控模塊的性能價格比。系統中采用主副監控模塊的冗余設計，保證系統工作的可靠性。該系統經實際使用證明，設計合理、抗干擾能力強、運行可靠。

參考文獻

［1］潘琢金，施國君.C8051xxx高速SOC單片機原理及應用［M］.北京航空航天大學出版社，2002.

［2］楊振江，蔡德芳.新型集成電路使用指南與典型應用［M］.西安電子科技大學出版社，1998.

摘自　儀表技術

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