一种多路电源智能控制系统的研究与应用

作者：北京交通大学 张伟 李杏春 王占国

欢迎访问e展厅 展厅 8 嵌入式系统/自动化软件展厅 组态软件, 单片机, ... 【摘 要】 介绍了一种用于铁路信号机两路供电电源电压，电流的实时控制系统。本系统能自动按规定技术指标投入电源电压质量较好的一路，同时可显示，查询，打印故障数据，并且具有IC卡存储功能，提供了一种智能化的控制手段。 【关键词】 CS5460A PIC单片机 前言 本电源智能控制系统用于铁路信号机两路供电电源电压，电流的实时测量记录。能自动按规定技术指标投入电源电压质量较好的一路。当两路输入电源电压都不符合要求时，输出电压在延时10秒后会自动切断，当再有一路或两路输入电压符合要求时，可自动投入较好的一路。由于本系统是用于铁路现场的测量仪器，因此必须具有较高的测量精度，高度智能化，适应现场的恶劣环境，较大的数据记录存储空间，方便快捷的查询打印模式，较强的扩展功能。 1 硬件组成及特点 硬件原理如图1所示： 1.1 测量部分 本控制器的电压，电流测量部分采用美国CRYSTAL公司的专用电量测量芯片CS5460A，CS5460A是高度集成的ΔΣ模拟－数字转换器（ADC），它将两个ΔΣADC，高速能量计算功能和一个串行接口集成在一个单芯片上,它用于精确测量和计算VRMS和IRMS值。CS5460A与低成本变压器及电阻分压器相连来测量电压，与电流互感器及电阻分压器相连来测量电流。 CS5460A 的特性是有与微控制器通讯的双向串口，加电后芯片被初始化可自动实时测量电压、电流有效值。同时还包括一个可编程增益放大器，ΔΣ调制器，高速滤波器，系统校准功能。高通滤波器可以在计算前将输入信号的直流分量过滤掉。高速滤波器用作一个固定的sinc2滤波器，并由一个短FIR补偿。为了方便CS5460与微控制器之间通讯，该转换器包括一个与SPITM和MicrowireTM兼容的简单3线串口。串口内部有一个施密特触发器，允许慢上升沿的时钟信号。 1.2 主控CPU 本控制器的主控CPU采用美国Microchip公司的PIC系列单片机PIC16C65B，PIC系列单片机是采用精简指令集计算机（RISC）结构的高性能价格比的嵌入式控制器。其高速度、宽工作电压、低功耗、较大的输入、输出驱动能力、一次性编程（OTP）芯片的低价位，体现了最新微控制器的诸多特点，同时也非常适合本系统的设计要求。 1.3 数据记录存储 对于故障数据的记录和存储,本系统采用美国ATMEL公司的大容量串行EEPROM AT24C256,它采用2线串行接口(I2C),低功耗CMOS技术,具有较宽的电压和温度范围,整个存储器具有硬件写保护,1000000次的擦/写周期,数据保存40年以上，每个管脚的ESD保护都大于4000V，存储容量为256K（32768*8），在本系统中可以实时记录3270条故障记录。采用循环滚动刷新方式，确保存储最近的3270条故障记录。 对于数据的可靠性方面，考虑到现场可能的恶劣环境，为防止存储数据被错误改写，只有在数据记录时才给存储器供电，并且采用校验的读写方式确保数据可靠记录，其他时间切断存储切断存储器电源，确保记录数据处于安全状态。 1.4 实时时钟 系统记录故障数据的标尺为时间，所以高可靠的实时时钟也是数据记录的关键技术，本系统采用PHILIPS公司推出的一种低功耗时钟/日历芯片-PCF8563，它也是采用2线串行接口(I2C)，内部包括了上电复位电路、振荡与分频电路。具有记时、日历、定时、闹钟、中断输出和可编程时钟输出等功能。它的数据保持、时钟工作的电压为1～5.5V，与同类器件相比，PCF8563休眠电流典型值为0.25微安（3V电池）。而其它器件最小为1微安，对本系统时钟的电池更为有利。比同类器件更灵活的可选时钟输出可以非常方便的校准时钟。另外PCF8563内部集成有电压低检测器，并在秒寄存器的最高位做出指示，通过检测该位可知数据是否可靠，从而提醒及时更换电池和校准时钟。 1.5 供电电源的切换单元 系统实时检测两路供电电压，当需要切换时，启动切换电路，切换电路采用软硬件结合的方式，确保电路在带载的情况下可靠的切换。硬件上采用互锁逻辑电路，确保在任意时间只有一路导通，避免了两路电源的贯穿短路。 1.6 键盘及显示 系统实时和记录数据的显示和切换由键盘及显示电路完成，采用不同的显示方式加以区别，使各种数据一目了然。同时还可以方便的通过键盘查询故障数据和设置系统的时钟。 1.7 打印接口 系统记录的故障数据可以通过键盘查询，同时还可以采用微型打印机打印输出。打印时可以通过键盘设置起始和终了记录，系统自动判别其时间顺序，按事件发生时间打印故障数据及故障发生的时刻。同时标明故障时刻的供电情况。 1.8 供电电源 系统高可靠性的电源是系统成败的关键，本系统的电源要在只有一路满足最低工作电压和两路接近最高极限电压时，为系统提供优质、可靠的供电电源。系统采用分级多段的供电方式，较好的解决了宽范围的电源方案。 1.9 系统扩展 系统为将来的扩展预留充分的接口。故障数据的输出在显示查询、打印的基础上，增加专用IC卡存储，可将故障数据提到PC机上通过专用软件直观的分析故障数据，绘制打印故障曲线和故障记录。 2 软件组成及特点 系统的软件是在硬件设计的基础上，可靠、高效的完成各种系统功能，同时还在智能控制及良好的人机接口上采取了多项措施。 2.1 记录数据的智能化管理 记录的故障数据须可靠的按时间顺序记录，同时采用循环递推的方式，准确记录最后的3270条记录，在查询和打印时能够快速、准确。 2.2 合理的切换逻辑 由于两路电源空载负载的情况不同，在切换前后两路电压都会根据带载情况的不同，发生不同程度的波动，在考虑电压变化极限的情况下，系统电源切换采用滞环逻辑控制，考虑电压变化的情况下，确保每次切换后供电电源质量更优，有效的防止了系统切换振荡。 2.3 有效数据冗余 对于数据的测量，在确保硬件可靠的基础上，软件上同时采取实时刷新测量数据、智能剔除粗大误差，快速判断电压变换趋势等方法，保证及时切换供电电源。在记录数据采用特征标识码及数据和校验相结合的方法，保证记录数据的可靠和真实。 3 性能指标 本机工作电压: 额定电压 220V 50Hz 极限范围：140～300V(-80V～+80V) 测量电压范围：120V～300V 测量精度：140～300V时，误差不超过3V 负载功率：1.1KW 工作温度：-30～70℃ 两路切换时间：小于0.5秒 采样时间：0.5秒 检测功能： 正常范围187～253V，工作范围140～270V (-80V～+50V) A．两路都正常（198～242V）时，不记录、不切换；两路都正常（187～198V，242～253 V）时，记录、不切换。 B．一路正常，另一路超正常范围时，记录、切换到正常一路。 C．两路都超正常范围时，记录、切换到较好一路。 D．一路超正常范围，另一路超140～270V时，记录、切换到可用一路。 E．两路都超过140～270V时，记录、若持续超过10秒切断两路负载。 F．超正常范围，每变化3V时，记录一次，但变化3V应持续超过5秒以上。 显示、记录内容： A．超出范围记录：两路电压实时值，日期、时间（年月日、时分秒）。 B．采用LED同时显示两路电源电压的电压值，查询时显示电压值发生的日期、时间。 C．记录数据容量大于3276条。 备有微型打印机接口，可实时打印出故障数据、设备号、日期及时间。 具有专用IC卡存储功能，进行故障记录和分析。 4 系统的应用 高可靠性，良好的电磁兼容性是贯穿本系统设计的指导思想。目前，本系统已成功应用于大同铁路局铁路信号机的电源控制中，以本系统为基础加以改进，还可用于其它的电源监测与控制。高度的智能化与大量可靠的故障记录，为工作人员及时监测与处理故障提供了可靠的依据。 参考文献 [1] 王有绪、许杰、李拉成. PIC系列单片机接口技术及应用系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社.2000 [2] CIRRUS LOGIC CORPORATION. Single Phase Bi-Directional Power/Energy IC-CS5460A. 2002(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/16/2004)