通信電源監(jiān)控系統(tǒng)模擬量采集模塊的設(shè)計(jì)

1 引言

通信電源通常被稱(chēng)為通信系統(tǒng)的心臟，其工作不正常，將會(huì)造成通信系統(tǒng)故障，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。美國(guó)APC公司的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果表明，大約有75%以上的通信系統(tǒng)故障都是由于電源設(shè)備故障或者是電源設(shè)備不符和技術(shù)條件而引起的。同時(shí)隨著通信電源向小型化、模塊化發(fā)展、供電方式由集中供電向分散供電轉(zhuǎn)變，以往的人工監(jiān)控模式難以適應(yīng)，從而使得可靠性更加難以保障。為此，我們研制了一套本地用通信電源監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化、通用化設(shè)計(jì)，從而具有較高商業(yè)價(jià)值和研究意義。
按照模塊化的要求，系統(tǒng)共分為微處理器及外設(shè)模塊、模擬量采集模塊、開(kāi)關(guān)量采集模塊、控制量輸出模塊、人機(jī)接口模塊、聲光報(bào)警模塊、通信模塊以及輔助電源模塊。在本地用通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，模擬量采集模塊設(shè)計(jì)得好壞將直接影響上位機(jī)乃至整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能。本文詳細(xì)介紹了這套具有兩級(jí)集散式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的本地用通信電源集中監(jiān)控系統(tǒng)中模擬量采集模塊的設(shè)計(jì)。

2 模擬量采集模塊的設(shè)計(jì)

模擬量采集模塊的設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)預(yù)調(diào)理電路設(shè)計(jì)、量程在線(xiàn)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換主電路的設(shè)計(jì)。

2.1信號(hào)預(yù)調(diào)理電路

信號(hào)預(yù)調(diào)理電路的作用在于將不同范圍的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬開(kāi)關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器所要求范圍的電壓信號(hào)。針對(duì)不同的信號(hào)必須采用相應(yīng)的預(yù)調(diào)理電路，圖1(a)~(d)分別給出了交流電壓、電流與直流電壓、電流信號(hào)的預(yù)調(diào)理電路。

其中交流電壓、電流信號(hào)調(diào)理部分均采用了電流型的互感器，被測(cè)的電壓信號(hào)通過(guò)PT和CT后轉(zhuǎn)變?yōu)楹涟布?jí)的小電流信號(hào)，由取樣電阻和濾波電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓后送入A/D轉(zhuǎn)換器。直流電壓的調(diào)理電路采用了帶負(fù)反饋的光隔放大電路，主要由兩個(gè)普通光耦、兩個(gè)運(yùn)放以及外圍阻容元件實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)光耦中，一個(gè)用作輸出，另一個(gè)用作反饋以補(bǔ)償發(fā)光二極管時(shí)間、溫度特性的非線(xiàn)性。直流電流的調(diào)理采用了霍爾傳感器，同時(shí)為了調(diào)整方便，將霍爾傳感器的輸出經(jīng)過(guò)電阻分壓以后，通過(guò)兩級(jí)反向放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器。

2.2量程在線(xiàn)轉(zhuǎn)換電路

在通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，由于所要處理的信號(hào)十分復(fù)雜，電平高低相差很大。因此，如何實(shí)現(xiàn)測(cè)量量程的在線(xiàn)轉(zhuǎn)換，一直是人們所關(guān)注的問(wèn)題。通常的轉(zhuǎn)換方法是采用程控增益放大器，或者是多路輸入的形式，這必然以增加電路的復(fù)雜性和降低可靠性作為代價(jià)。本系統(tǒng)中采用了數(shù)字電位計(jì)X9241來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量量程的在線(xiàn)轉(zhuǎn)換。XICOR公司的X9241內(nèi)部集成了四個(gè)非易失性 E2POT。其中每一個(gè)E2POT包含有63個(gè)電阻單元，一個(gè)滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器（WCR）和四個(gè)可以由用戶(hù)讀出和寫(xiě)入的8位數(shù)據(jù)寄存器?；瑒?dòng)端計(jì)數(shù)寄存器的內(nèi)容用來(lái)控制滑動(dòng)端在電阻陣列中的位置，并且可以和數(shù)據(jù)寄存器之間進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。其具體的通信規(guī)約和時(shí)序可參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。
由于本系統(tǒng)所采用的主處理器MC68332沒(méi)有I2C接口部件，與X9241的互聯(lián)很不方便。但是通過(guò)時(shí)序分析發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)通用I/O總線(xiàn)和一個(gè)定時(shí)器來(lái)模擬I2C總線(xiàn)的功能，即采用處理器的兩根口線(xiàn)分別作為SDA和SCL總線(xiàn)，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生所需要的時(shí)鐘。具體電路連接電路如圖2所示。

圖2　測(cè)量量程在線(xiàn)轉(zhuǎn)換電路
從理論上講，利用數(shù)字電位計(jì)可以實(shí)現(xiàn)任意量程的轉(zhuǎn)換。但由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度的限制以及通信電源監(jiān)控系統(tǒng)高實(shí)時(shí)性的要求，選取過(guò)多的轉(zhuǎn)換點(diǎn)反而會(huì)收到事倍功半的效果。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只需要1：1，1：2，1：5，1：10，1：20，和1：50六種量程就可以保證輸入信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的2/3量程附近，因此，在這里巧妙的利用了滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)上述六種量程在線(xiàn)轉(zhuǎn)換。具體的實(shí)現(xiàn)方法是：在兩個(gè)E2POT的R0中存儲(chǔ)值為01H，由于上電復(fù)位時(shí)滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器會(huì)自動(dòng)裝入R0中的值，因此初始化時(shí)，放大器為一跟隨器，當(dāng)需要測(cè)量微弱電流時(shí)，根據(jù)初次采集得到的值，與事先設(shè)定的參考值進(jìn)行比較，選擇合適的量程進(jìn)行放大后重新采集。從第六章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在采用這一技術(shù)之后，數(shù)據(jù)采集的精度有了較大的提高。但同時(shí)在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，這一電路有時(shí)會(huì)在輸出端產(chǎn)生振蕩，造成輸出波形失真，解決方法是在放大器輸入和反饋端串聯(lián)兩個(gè)電阻，增加其到輸入端的衰減通道。

2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換主電路

在模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，根據(jù)系統(tǒng)采樣精度和速度的要求，我們采用了AD公司的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換ADS774。它是一種采用CMOS技術(shù)的低功耗、高采樣速度的12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從模擬量輸入到轉(zhuǎn)換結(jié)束的時(shí)間為8.5us,采樣頻率可達(dá)117kHz，而且具有內(nèi)部的采樣和保持電路，其自身就是一個(gè)完備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ADS774的具體工作時(shí)序和工作原理可參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]，在此不再贅述。模數(shù)轉(zhuǎn)換的主電路如圖3所示。

圖3　模數(shù)轉(zhuǎn)換的主電路

系統(tǒng)采用了硬件直接控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換頻率的策略，其目的是為了確保同步采樣的精確實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供時(shí)間基準(zhǔn)。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先由1.8432MHz的鐘振提供精確的方波信號(hào)，該方波信號(hào)經(jīng)過(guò)CD4040計(jì)數(shù)器后輸出兩路分頻信號(hào)，一路為Q12輸出，另一路為Q11輸出。然后將這兩路信號(hào)相與后的輸出接至CD4040的復(fù)位端，從而在CD4040的Q12引腳即可得到一個(gè)3072分頻的矩形波（占空比為1/2），將其作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制頻率，同時(shí)送入單片機(jī)的外部中斷。最后輸出的 信號(hào)頻率為1.8432×10⁶÷3072=600Hz，即周期為1.667ms，對(duì)于工頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，等效于每個(gè)周期采樣12個(gè)點(diǎn)。
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的工作過(guò)程如下：由采樣頻率控制電路產(chǎn)生的600Hz矩形波信號(hào)被送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器的
腳，由它來(lái)精確控制A/D轉(zhuǎn)換器的工作頻率。主處理器通過(guò)檢測(cè)ADS774的STATUS的電平來(lái)判斷模數(shù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，當(dāng)STATUS輸出低電平時(shí)，表明正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)STATUS輸出高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，可以讀取數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

以直流電壓和直流電流信號(hào)測(cè)試結(jié)果為例，給出測(cè)試結(jié)果如表1、2所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，這套采用了本文所提出的模擬量采集模塊設(shè)計(jì)方案的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)完全可以滿(mǎn)足《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中的規(guī)定。本產(chǎn)品已研制成功并投入使用，實(shí)踐證明，本系統(tǒng)具有采集精度高、成本低廉、便于升級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于目前已相當(dāng)普遍的本地用通信電源系統(tǒng)十分適用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳汝全.電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊(cè)[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.
[2] YDN023—1996.通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求及通信協(xié)議[S].
[3] 劉希禹.通信電源與空調(diào)及環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)[Ｍ].北京：人民郵電出版社，1999.