基于单片机的通信电源监控系统设计与实现 - 全文

　　摘要：近年，通信行业发展异常迅速，电源系统是通信的动力中心，通信电源系统的工作稳定性直接关系到通信机房及基站的正常运行。介绍了基于DS80C320的通信电源监控系统的设计方案，从硬件结构、软件编程两方面进行了详细讨论。实际运行表明。本监控系统完全能满足实际需要，性能良好。

　　通信电源是通信网络的"心脏",通信电源系统稳定、可靠的运行直接关系到通信的稳定性及可靠性。目前大型通信电源的供电方式多采用集中供电的方式，一旦发生供电故障，将直接引起整个通信系统的瘫痪。

　　通信电源的传统维护方式主要依靠人工看守，工作量大，效率低下，造成设备发生故障而没有及时进行处理而产生的重大通信阻断时有发生。因此对在网运行通信电源设备实现远程实时监测，有利于及时发现电源故障，减少人为因素，对保证供电系统稳定、可靠运行显得十分重要。'

　　目前，通信电源系统广泛使用高频开关电源系统设备，其智能化程度高。在运行过程中，电源系统的具体运行要求很多，例如：若电源系统不能输出规定电流和电压或输出的电流、电压超出允许波动范围，杂音电压高于允许值时间并持续10 S以上者均判定为系统故障。原交流系统中的电压、频率或波形畸变超出规定范围持续时间大于60 S者也判定为故障。

　　为此，要保证通信电源系统的可靠性，通信部门应尽量从两个不同的地方引入2路市电输入，并设置2路市电电能自动倒换装置;所用设备要选用可靠性高的高频开关整流设备。

　　模块化、热插拔式结构以便于更换，并合理配置备份设备。供电方式要大力推广分散供电，使用同一种直流电压的通信设备采用两个以上的独立供电系统。为了尽量缩短设备的平均故障修复时间，要经常分析运行参数，预测故障发生的时间并及时排除。还要提高技术维护水平，采用集中维护、远程遥信、遥测维护。

　　实施集中监控管理是网络技术发展的必然趋势，是现代通信网的要求，也是企业减员增效的有效措施。各种电源设备要智能化、标准化，符合开放式通信协议。

　　1 框架结构及总体设计要求

　　通信电源监控系统的主要作用是随时监控电源的运行状态;对电压的波动、频率的波动、波形失真率、瞬时浪涌、瞬变脉冲、三相不平衡等各种质量特性指标进行监控;当故障发生时，能够及时采取相应措施并报警等。根据通信电源集中维护、统一管理的基本模式，监控系统在结构上是多级的分布式计算机监控网络，一般可分为四级：中心监控中心、区域监控中心、局站监控中心以及前端现场处理部分(包括智能设备、蓄电池检测仪、前端采集设备)。整个系统的框架结构宜采用树型结构(见图1)，树型结构有很好的扩容性，以满足通信行业不断发展的需求。

图1 通信电源监控系统框架结构图

　　通信电源监控系统的主要功能设计如下：

　　(1)实时监控及显示各个通信电源设备的运行参数及相应的工作状态，当设备出现故障时具有声光报警功能，以及时提示工作人员排除故障;(2)当故障发生时，能够及时实现主从电源准确无误的切换，同时还要保证切换时电压同频率，同相位，同幅值;(3)对通信电源系统具有完善的保护功能，防止系统出现过压、过流、频率或相位超差及过热等现象，当出现以上现象后及时采取措施;(4)通信功能：具有主从机组之间通信，与监控中心(上位机)通信等功能;(5)具有记录历史数据、状态的功能。

　　2 硬件电路设计

　　DS80C320是美国DALLAS公司推出的高速低功耗8位单片机，它采用了全新设计的处理器内核，去掉了冗余的时钟和存储周期，在同样的晶振速度下每个相同的指令执行速度可以被提高1.5~3倍。它可以与80C51/80C32兼容，使用标准8051指令集。

　　本系统实时监控通信电源系统的电流、电压、温度、频率及相位，并将相应的数据送入微处理器，同时采集蓄电池的电压、工作电流和环境温度，定时计算蓄电池的内阻送人存贮器及微处理器;并通过微处理器将数据送入上位机。具体模块分为微处理器及外设模块，电压采集及测试模型、电流采集及测试模型、温度采集及测试模型、频率及相位测量模块、输入及显示模块、控制量输出输入模块以及通信模块，如图2所示。

图2 监控系统硬件框图

　　在本系统当中，微处理器采用了DS80C320芯片，从而提高了整个系统的可靠性。同时为了准确记录蓄电池的状态而扩展了相应的外部存储器。根据采集精度要求以及被采集量的特点，电流、电压及温度测试采集模块采用AD公司的高性能l2位逐次逼近式模数转换器AD574A来完成，转换时间为25 s,线性误差为±1/2 LSB,内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装，并通过ADG508A扩展模拟量输入通道。频率及相差采集测试模块是将信号先经过具有迟滞特性的过零比较器转换为方波，然后通过双四选一开关4052送人单片机，完全能够满足伺服系统的要求。通过定时器]rn来计算频率和相差。I/O控制的主要功能是实现了对供电断路器进行有效控制，实现主路电源、备路电源及备用发电机的有效切换。输入及显示模块采用8位7段LED显示，显示的内容包括电流、电压、频率及相差等运行数据，这些数据可以通过按键进行简单的选择，同时通过发光二极管和蜂鸣器提示运行状态。本系统硬件部分利用串口1采用RS485标准接IZl实现与上位机的通信，完成传输数据和远程报警等功能。

　　3 系统软件设计

　　3.1系统软件流程

　　系统软件部分采用NI公司推出的一套面向测控领域的软件开发平台：Labwindows/CⅥ 来进行开发。LabWin-dows/CVI是National Instruments公司(美国国家仪器公司，简称NI公司) 推出的交互式C语言开发平台。LabWin-dows/CVI将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了c语言的功能，为熟悉C语言的开发设计人员编写检测系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开发环境。

　　系统软件主程序部分的流程图如图3所示。

 　图3 主程序流程图

　　3.2软件部分的主要算法及功能

　　3.2.1蓄电池智能充放电算法的确定

　　正确合理的充放电可有效地延长蓄电池的使用寿命，本系统内置了蓄电池充放电算法的数据模型，利用下位机采集上传的数据自动生成容量对应曲线与之进行比较运算，用于确定下位机对蓄电池的充放电的管理，从而实现了蓄电池的智能充放电功能。

　　蓄电池智能充放电算法很多，本系统采用的算法是：神经网络算法。

　　神经网络算法是利用计算机来模拟大脑信号处理过程的人工智能技术，由大量简单的神经元广泛连接形成复杂的非线性系统，对采集数据进行自动归纳，从中获取这些数据的内在规律。蓄电池是一个高度非线性系统，通常很难对其充放电过程建立合理准确的数学模型。所以，在给出外部激励的条件下，神经网络算法能够利用神经网络的学习能力和并行结构模拟电池非线性特性来估计SOC值。

　　SOC估计采用典型的三层神经网络，其中输入、输出层的神经元个数由实际系统需要决定，中间层神经元个数取决于系统复杂度及分析精度要求。在神经网络法中，系统输入量包括电池电压、环境温度、充放电电流、电池内阻、累积放出电量等。输入量类型、数量是否选择合适会直接影响到方法模型的计算量和准确性。

　　3.2.2数字滤波算法

　　根据本系统采集精度较高、被采集的模拟量变化缓慢的特点，采取了中值滤波法来从采样数据列中提取出逼近真值的数据。中值滤波是对某一被测参数连续采样N次(一般N取奇数)，然后把N次采样值从小到大，或从大到小排队，再取其中间值作为本次采样值。中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉冲干扰比较有效，可对电流、电压、温度等数据进行多周期采样，每次采样后和有效采样值比较，如果变化幅度不超过一定幅值，采样有效;否则视为无效放弃。

　　4 抗干扰措施

　　由于系统中存在功率较大的设备，而且具有一定的电磁干扰，干扰一旦串入系统，轻则会引起误报，严重时就会导致整个系统瘫痪，甚至造成重大事故。本系统从硬件和软件两方面采取了抗干扰措施，从而保证了监控系统的可靠运行。

　　在硬件方面，利用光耦合器件对单片机与各种传感器、开关、执行机构隔离开来，以防止串模干扰，同时在电源进线端加去耦电容，削弱各类高频干扰，以提高硬件的抗干扰性。

　　在软件方面，利用了DS80C320提供的内部可编程硬逻辑看门狗来保证程序的安全性。

　　5 结语

　　与常规的电源系统相比，通信电源系统应能自动、连续、实时地监控所有变、配电设备的运行/故障状态和运行参数，还应具有故障的自动应急处理能力。实践证明， 基于DS80C320的通信电源监控系统性能优良，完全满足电源系统稳定性高的要求，具有很好的抗干扰能力，保证了整个智能建筑安全、可靠地运行。