基于DSP 的電源監(jiān)控單元電路設(shè)計(jì)

李安陽(yáng)，呂國(guó)飛

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二六研究所，上海，201108）

0 引言

電源安全是電路系統(tǒng)安全的基石。在產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高的今天，能否對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)的安全將起到至關(guān)重要的作用。在產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)過(guò)程中也需要對(duì)監(jiān)測(cè)的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)監(jiān)測(cè)到的參數(shù)進(jìn)行保存，將出現(xiàn)異常的被監(jiān)測(cè)電源進(jìn)行斷開(kāi)操作等處理[1-3]。這些需求都需要一個(gè)電源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制電路系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而市場(chǎng)中電源監(jiān)控設(shè)備存在采集精度低，應(yīng)用領(lǐng)域單一，工作模式單一，聯(lián)網(wǎng)不便等問(wèn)題。為此本文提出并設(shè)計(jì)了一種通用性較好的電源實(shí)時(shí)監(jiān)控制單元，減少重復(fù)性設(shè)計(jì)給產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)、時(shí)間、人力成本。

1 單元整體設(shè)計(jì)

電源實(shí)時(shí)監(jiān)控單元在設(shè)計(jì)之初即考慮到外圍電路的干擾問(wèn)題，為此設(shè)計(jì)了隔離保護(hù)及放大處理電路，待檢測(cè)信號(hào)只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理即可接入檢測(cè)單元；為了提高檢測(cè)精度，采用高分辨率的AD 采集芯片：為使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)顯示及數(shù)值記錄設(shè)計(jì)了顯示屏。為使系統(tǒng)的工作模式、應(yīng)用領(lǐng)域得到拓展設(shè)計(jì)了嵌入式控制器：考慮到系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能而設(shè)計(jì)了功能擴(kuò)展模塊備用接口。

2 電源設(shè)計(jì)

繼電器及運(yùn)算放大器等元器件工作所需要的12V 電壓和其他5V 片內(nèi)供電模塊，在此選48V 轉(zhuǎn)5V/12V 的XPPower JCP4048T0512 電源模塊。而嵌入式芯片工作需要的1.8V,3.3V，在此選擇TPS73HD318 電源轉(zhuǎn)換模塊。為了安全，電源的輸入采用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲隔離。

圖1 電源實(shí)時(shí)監(jiān)控單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 隔離保護(hù)及運(yùn)放設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)處理通道主要由電壓信號(hào)輸入接口、分壓及限壓電路、線性光電隔離、OP 放大電路、限壓保護(hù)電路構(gòu)成?？紤]到外界電網(wǎng)以及待檢測(cè)電源的復(fù)雜性和系統(tǒng)的安全性，將待測(cè)電源與本系統(tǒng)進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，為此選擇具有線性磁電耦合隔離作用的順源公司的ISOEM-SD 系列元件。其使用方便，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，無(wú)需外接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換的元器件，即可實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換[4,5,6]。其可以很好的隔離電網(wǎng)干擾，保障系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。運(yùn)算放大器選擇具有兩級(jí)放大功能的OP484 芯片，其能使系統(tǒng)電源監(jiān)測(cè)范圍得到很好的拓展。

4 采集及顯示設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量紋波的檢測(cè)精度，系統(tǒng)選擇具有16 位寬的AD7656 采集芯片。其具有八個(gè)并行采集端口，使得系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)多路電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了將實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)及需要記錄的保護(hù)數(shù)值直觀的顯示出來(lái)。在此選擇清達(dá)光電LCM3202404 顯示屏液晶顯示模塊。該顯示屏采用320×240 點(diǎn)陣顯示，可以實(shí)現(xiàn)字符與圖形的多層顯示，界面顯示可以自定義，滿足系統(tǒng)監(jiān)控的功能需求。該顯示屏采用模塊化一體設(shè)計(jì)，使用非常方便。

5 控制器及擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)

本電路單元的嵌入式控制芯片采用T1 公司的TMS320 F2812 型號(hào)的DSP 芯片；各路輸入的電壓電流經(jīng)過(guò)隔離、濾波放大處理后，進(jìn)行AD 采樣。DSP 將AD 采樣數(shù)值運(yùn)算處理之后將電能質(zhì)量狀態(tài)顯示在液晶屏上。當(dāng)一路或多路輸入出現(xiàn)過(guò)壓過(guò)流現(xiàn)象時(shí)，DSP 控制繼電器切斷輸入接口，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)[7,8]。

考慮到應(yīng)用領(lǐng)域及工作方式的不同需求，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一些擴(kuò)展接口。擴(kuò)展接口可以實(shí)現(xiàn)工作模式及保護(hù)參數(shù)的自由設(shè)置。另外基于DSP 芯片自帶的CAN 總線及SCI 接口可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控?；贒SP 芯片的SPI 接口可以擴(kuò)展存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的記錄，這些在需要數(shù)據(jù)記錄的環(huán)境試驗(yàn)中很有必要。

6 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)通電后會(huì)首先檢測(cè)工作模式及保護(hù)參數(shù)設(shè)置模塊的工作模式參數(shù)，根據(jù)不同的工作模式對(duì)液晶屏進(jìn)行初始化，畫出背景界面，接著系統(tǒng)會(huì)提示操作人員進(jìn)行相應(yīng)通道的保護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并確認(rèn)。以上設(shè)置內(nèi)容完成之后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入對(duì)通道信號(hào)參數(shù)進(jìn)行采集及控制的循環(huán)過(guò)程中。

試驗(yàn)選擇對(duì)48V、70V 直流電源進(jìn)行監(jiān)控測(cè)試，兩個(gè)電源的保護(hù)電壓數(shù)值分別設(shè)定為最大50V 和80V，保護(hù)電流設(shè)定為最大3A。工作模式設(shè)定為若被監(jiān)測(cè)電源的電壓、電流數(shù)值超過(guò)設(shè)定的保護(hù)數(shù)值，系統(tǒng)進(jìn)行電源切斷操作，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)測(cè)試圖

經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

7 結(jié)束語(yǔ)

同市面上的一些電源監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的AD 采集通道也即是模擬信號(hào)處理通道數(shù)量高達(dá)8 通道，還可根據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)展。其對(duì)所監(jiān)測(cè)電源的操作模式有三種：定時(shí)對(duì)采集的電源通道進(jìn)行斷開(kāi)或者接通，對(duì)達(dá)到設(shè)定保護(hù)參數(shù)的電源進(jìn)行斷開(kāi)或者接通，只對(duì)達(dá)到設(shè)定的保護(hù)參數(shù)的電源參數(shù)及時(shí)間記錄保存在一個(gè)固定文件中，等待工作人員拷取參數(shù)。系統(tǒng)的工作模式以及電源的保護(hù)參數(shù)可以通過(guò)相應(yīng)的設(shè)置模塊設(shè)置，增加了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。另外，除了應(yīng)用于電能質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)控之外，本系統(tǒng)對(duì)于涉及模擬信號(hào)監(jiān)測(cè)，控制的領(lǐng)域都具有通用性。