【導(dǎo)讀】本文主要講解了遠(yuǎn)程直流電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，本次方案主要由觸摸屏、單相或三相交流信號(hào)采集單元、互感器構(gòu)成。隨著銀行、大型企業(yè)業(yè)務(wù)的拓展，數(shù)據(jù)中心承受著相當(dāng)大的壓力。管理維護(hù)和電費(fèi)都是企業(yè)主管面臨的困擾。而本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)恰好解決了之一困擾，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)中心的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控。
1、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
硬件電路設(shè)計(jì)
直流電源系統(tǒng)需要采集多路模擬量、數(shù)字量并要求多路空節(jié)點(diǎn)和0 V~4 V的可調(diào)電壓輸出，即“四遙”功能。監(jiān)控單元有兩個(gè)串行口，一個(gè)用于連接智能設(shè)備，另一個(gè)用于和TC35i通信。監(jiān)控單元還需要鍵盤和液晶顯示。根據(jù)以上需求，系統(tǒng)需在單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加較多外設(shè)。采用帶雙串口的單片機(jī)減少外設(shè)數(shù)量，則增加系統(tǒng)成本，而且限制單片機(jī)本身的通用性。其硬件原理圖如圖1所示。
圖1 硬件電路原理圖
單片機(jī)
單片機(jī)采用通用的SST89E516，是基于8051內(nèi)核帶64 KB的Flash單片機(jī)，3個(gè)16-bit定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)UART，36個(gè)GPIO，支持ISP；看門狗電路、時(shí)鐘電路和掉電保存電路采用FM3104.FM3104是RAMTRON公司推出的一款高性價(jià)比的集成器件，內(nèi)部集成看門狗、低壓檢測(cè)、定時(shí)器、時(shí)鐘電路和鐵電存儲(chǔ)器。采用I2C通信。時(shí)鐘電路和鐵電存儲(chǔ)器分別為兩個(gè)地址，其中鐵電存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)，如告警號(hào)碼、遙測(cè)告警越限值等。
TC35i接口電路
西門子的TC35i是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊，其頻段為雙頻GSM 900 MHz和GSM1 800 MHz，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真。系統(tǒng)采用16C550擴(kuò)展一個(gè)串口，以TTL電平的串行口方式和TC35i通信。
顯示、鍵盤電路
顯示電路采用128×64液晶。液晶的接口片選由GAL16V8確定。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，鍵盤采用集成電路ZLG7290，單片機(jī)與ZLG7290的通信采用I2C通信方式。
模擬信號(hào)采集電路
模擬信號(hào)采集電路是由整定、隔離和轉(zhuǎn)換3部分組成。不同的模擬信號(hào)整定電路部分不同，例如直流電壓采用精密電阻分壓法將0 V~400 V電壓整定為0 V~4 V；而交流電壓則采用電壓互感器整定為0 V~4 V；隔離電路采用線性光耦。
整定過的模擬信號(hào)經(jīng)限壓處理，一并輸入多路開關(guān)。然后經(jīng)過壓頻轉(zhuǎn)換（V/F）后輸入CPU處理。V/F轉(zhuǎn)換采用集成電路AD654.AD654是美國模擬器件公司的一款低成本、8引腳封裝的電壓頻率（V/F）轉(zhuǎn)換器，其單電源電壓為4.5 V~36 V；雙電源電壓為5 V~18 V；輸出頻率范圍為0 kHz~500 kHz；線性誤差為0.06%（250 kHz時(shí)）；輸入阻抗為250 MΩ；其輸入電壓范圍為單電源為0 V~Vs-4 V，雙電源為-Vs~Vs-4 V.
數(shù)字信號(hào)采集電路
數(shù)字信號(hào)指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。二進(jìn)制碼就是一種數(shù)字信號(hào)。二進(jìn)制碼受噪聲的影響小，易于有數(shù)字電路進(jìn)行處理，所以得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)采用TLP521隔離后送至總線驅(qū)動(dòng)器74HC244.GAL16V8產(chǎn)生74HC244片選，單片機(jī)每隔10 ms查詢采集數(shù)字信號(hào)，并加入去抖動(dòng)處理。
空接點(diǎn)輸出電路
空接點(diǎn)用于實(shí)現(xiàn)直流模塊的開關(guān)機(jī)以及其他設(shè)備的控制。采用5 V繼電器輸出空接點(diǎn)信號(hào)。5 V繼電器控制也由總線控制。數(shù)據(jù)口經(jīng)74HC273和MC1413驅(qū)動(dòng)后控制繼電器。GAL16V8產(chǎn)生74HC273片選，可擴(kuò)展多個(gè)空接點(diǎn)。
模擬電壓給定
模擬信號(hào)給定采用數(shù)字DS1845電位器分壓實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電位器將2.5 V基準(zhǔn)電壓分壓后疊加總限流電壓信號(hào)，放大輸出作為直流模塊調(diào)節(jié)電壓的基準(zhǔn)。
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2、電路可靠性設(shè)計(jì)
屏蔽，隔離和吸收
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通信線路均采用屏蔽雙絞線屏蔽外界干擾，并進(jìn)行光電隔離。并將各范圍內(nèi)的模擬量輸人信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為0 V~4 V的電壓信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換器，為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，采用差動(dòng)放大器和隔離放大器。
接地
信號(hào)接地保證同一邏輯系統(tǒng)的信號(hào)邏輯準(zhǔn)確，消除同一邏輯系統(tǒng)的不等電位帶來的干擾，保護(hù)接地保證了系統(tǒng)各部分的安全工作。而數(shù)字信號(hào)地和模擬信號(hào)地單點(diǎn)連接。信號(hào)地和大地采用3KV102電容連接。
3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)思路
采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，即定時(shí)器T0產(chǎn)生10 ms中斷，利用10 ms中斷計(jì)數(shù)分別產(chǎn)生200 ms、500 ms和1 s任務(wù)。系統(tǒng)軟件模塊框圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)軟件模塊框圖
短消息模塊無線傳輸
短消息模塊無線傳輸分為告警信息主動(dòng)上傳和被動(dòng)召喚。告警信息是主動(dòng)上傳，而遙控、遙測(cè)和遙調(diào)則是通過短消息召喚或控制實(shí)現(xiàn)的。告警信息處理流程如圖3所示。
圖3 告警信息處理流程圖
告警分為遙信告警和遙測(cè)告警。遙信告警實(shí)現(xiàn)方法：定義若干位為告警位，需產(chǎn)生告警的遙信接至該位置上，一旦觸發(fā)該位置遙信，則產(chǎn)生告警信息。
短消息模塊的告警信息必須以漢字發(fā)送。而每個(gè)漢字采用UNICODE編碼，占兩字節(jié)，如“電0x7535子0x5b50”。將漢字轉(zhuǎn)換成UNICODE編碼在單片機(jī)下編程比較困難。因?yàn)橹绷麟娫幢O(jiān)控的告警信息有限，并且微軟的操作系統(tǒng)提供該類函數(shù)，所以需將所有用到的漢字以表的方式寫入代碼空間。根據(jù)直流系統(tǒng)不同的告警代碼直接查取告警信息的UNICODE編碼。遙控遙調(diào)信息處理流程如圖4所示。
圖4 遙控信息處理流程圖
遙控、查詢測(cè)量信息是以TEXT方式發(fā)送。當(dāng)短消息模塊接收下列格式的短消息后，并且密碼正確，就將召喚直流電源信息按照接收號(hào)碼返回短消息或者下發(fā)遙控命令，返回控制結(jié)果。
短信內(nèi)容格式：“；密碼；功能碼（；內(nèi)容1）（；內(nèi)容2）（；……）”。其中，密碼為6個(gè)字符/數(shù)字；功能碼包含2個(gè)字符，如表1所列；內(nèi)容長(zhǎng)度不定。如：查詢系統(tǒng)測(cè)量信息短信內(nèi)容格式：“；1234156；01”；遙控設(shè)備開關(guān)機(jī)格式：“；123456；02”。
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