基于多協(xié)議的電源分配系統(tǒng)設(shè)計

商枝江 丁偉

摘要：針對電源系統(tǒng)多輸入多輸出的電源分配應(yīng)用場景，提出了一種基于多協(xié)議控制的電源分配系統(tǒng)，通過基于嵌入式單片系統(tǒng)進(jìn)行外圍電路設(shè)計，實現(xiàn)了電源輸入輸出分配的管理功能，通過設(shè)計網(wǎng)絡(luò)接口、CAN接口及RS232接口等，實時采集車載電源電壓、電流等特性參數(shù)，實現(xiàn)了電源分配系統(tǒng)的輸入、輸出分配控制及電源特性監(jiān)測，提高了供電系統(tǒng)在電源分配電時的可靠性。

關(guān)鍵詞：電源管理;電源分配;遠(yuǎn)程控制

電源系統(tǒng)作為電子信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐環(huán)境，電源分配系統(tǒng)作為電源系統(tǒng)的核心設(shè)備，電源分配系統(tǒng)是將輸入電源整合分配，通過一定策略將電力供給到后端用電設(shè)備，起到對系統(tǒng)電源的管理作用。電子信息系統(tǒng)中電源分配系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，必然使系統(tǒng)功能喪失，如果電源分配系統(tǒng)未能及時隔離故障并處理，還可能引發(fā)嚴(yán)重的二次危害。因此，電源分配系統(tǒng)的狀態(tài)信息、安全防護(hù)及遠(yuǎn)程控制方面在電源系統(tǒng)中至關(guān)重要。電源分配系統(tǒng)的智能化是發(fā)展的必然趨勢，并且要求對電源分配系統(tǒng)的監(jiān)控應(yīng)具有良好的實時性與可靠性，同時還要留存監(jiān)控及操作日志以便對故障進(jìn)行分析定位?；谏鲜鲂枨螅疚奶岢隽艘环N基于多協(xié)議多接口的智能電源分配系統(tǒng)，經(jīng)WEB界面可實現(xiàn)電源分配系統(tǒng)的狀態(tài)顯示及供電控制，通過網(wǎng)絡(luò)接口、CAN接口及RS232接口實現(xiàn)系統(tǒng)的級聯(lián)及互聯(lián)互通。

電源分配系統(tǒng)主要由WEB服務(wù)器、電源分配控制器構(gòu)成，以以太網(wǎng)、CAN及RS232作為數(shù)據(jù)傳輸方式實現(xiàn)監(jiān)控及控制數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)組織運(yùn)用框圖如圖1 所示。

操作計算機(jī)通過瀏覽器訪問電源分配設(shè)備，實現(xiàn)人機(jī)交互與遠(yuǎn)程控制。電源分配控制設(shè)備作為系統(tǒng)的承載平臺，完成對輸入輸出電源信息的采集及電源分配，故障及報警的上報工作。

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，基于WEB的遠(yuǎn)程控制技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用?；赪EB的遠(yuǎn)程控制技術(shù)可實現(xiàn)在不同操作系統(tǒng)下的遠(yuǎn)程控制，同時不需要進(jìn)行復(fù)雜的客戶端部署，在系統(tǒng)升級更新方面有著較強(qiáng)的優(yōu)勢。本系統(tǒng)軟件采用B/S 架構(gòu)，在嵌入式硬件環(huán)境上實現(xiàn)WEB服務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件功能。用戶可通過任意瀏覽器對電源控制設(shè)備的遠(yuǎn)程登錄，可以跨平臺地對電源進(jìn)行實時監(jiān)控，電源分配系統(tǒng)軟件設(shè)計功能如圖2所示。

電源分配系統(tǒng)軟件功能包含圖像交互界面、電源分配控制、設(shè)備參數(shù)設(shè)置、信息查詢等。

圖像交互界面實現(xiàn)用戶登錄、設(shè)備控制按鍵、設(shè)備狀態(tài)信息顯示及告警信息顯示等功能。用戶登錄界面根據(jù)不同用戶角色的設(shè)定用戶的使用權(quán)限。設(shè)備控制按鍵用于遠(yuǎn)程控制設(shè)備的開關(guān)機(jī)控制。狀態(tài)顯示及告警提示對設(shè)備實時運(yùn)行信息及告警信息進(jìn)行顯示。

電源分配控制實現(xiàn)對電源輸入及分路輸出的控制，包含通過TCP/IP的WEB控制、通過CAN或RS232接口的命令控制和按照預(yù)設(shè)的安全保護(hù)值及出現(xiàn)故障后的自動控制等。

設(shè)備參數(shù)值設(shè)置包含設(shè)備時間設(shè)置、用戶權(quán)限設(shè)置及安全閾值設(shè)定。時間設(shè)置實現(xiàn)設(shè)備的系統(tǒng)時間，用戶權(quán)限設(shè)置用于設(shè)置設(shè)備的使用角色及使用權(quán)限，安全閾值設(shè)備實現(xiàn)設(shè)備電壓、電流、漏電的報警及保護(hù)切斷閾值設(shè)置。

信息查詢功能實現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息查詢、故障信息查詢及告警信息查詢功能。

電源分配系統(tǒng)硬件平臺是電源分配系統(tǒng)的承載平臺，本文的硬件平臺采用基于STM32單片機(jī)的硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件系統(tǒng)包含了MCU系統(tǒng)、采集單元、計量單元、報警單元、控制單元及通信單元等組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

MCU系統(tǒng)負(fù)責(zé)計量單元的配置，數(shù)據(jù)讀取及采樣單元的數(shù)據(jù)讀取，從而得到電源特性參數(shù)，同時，MCU系統(tǒng)單元負(fù)責(zé)驅(qū)動控制單元，通信單元和報警單元，實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制功能。MCU系統(tǒng)選用STM32單片機(jī)，是一種基于ARM Cortex-O內(nèi)核，專門針對低功耗、低成本、高性能嵌入式應(yīng)用所設(shè)計，其實施性能和功耗控制等都較為優(yōu)良，能夠最大限度的進(jìn)行整合和集成，同時便于開發(fā)，同時涉及了針對嵌入式應(yīng)用底層化的新型內(nèi)核，方便協(xié)議通信協(xié)議的移植。

采樣單元負(fù)責(zé)對輸入輸出電源的電壓、電流特性進(jìn)行采樣，再通過計量單元對采樣信號進(jìn)行分析和處理。

報警單元采用三極管驅(qū)動蜂鳴器，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過MCU系統(tǒng)導(dǎo)通三極管，從而驅(qū)動蜂鳴器，發(fā)出報警信號通知維護(hù)人員。

控制單元是由達(dá)林頓陣列驅(qū)動芯片和繼電器組成，通過MCU系統(tǒng)控制達(dá)林頓陣列驅(qū)動芯片，驅(qū)動繼電器，控制電源輸出，從而達(dá)到控制用電設(shè)備開關(guān)及電源分配功能。

通信單元包含2路CAN接口、1路網(wǎng)絡(luò)接口及1路RS232接口，其中CAN采用一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，可以為總線提供差動發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動的接收性能。1路網(wǎng)絡(luò)采用帶SPI接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，是IEEE 802.3兼容的以太網(wǎng)控制器，集成MAC和10 BASE-T PHY，支持全雙工和半雙工模式。對外通過CAN接口、網(wǎng)絡(luò)接口及RS232接口，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。

針對電子信息系統(tǒng)的對電源分配系統(tǒng)的智能化需求，本文提出了基于多協(xié)議接口的電源分配系統(tǒng)，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)、CAN及RS232對用系統(tǒng)電源輸入輸出進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控，用戶可以突破時間和地域限制，輕松地控制各個用電設(shè)備的開、關(guān)、重啟;遠(yuǎn)程監(jiān)控供電電源狀態(tài)及設(shè)備用電狀態(tài)，用電異常時自動切斷電源，并通過蜂鳴報警通知維護(hù)人員;用戶對各個用電設(shè)備可依彼此間的依賴關(guān)系進(jìn)行開關(guān)機(jī)順序設(shè)定，可分為強(qiáng)制性順序開關(guān)及非強(qiáng)制性順序開關(guān);用戶可設(shè)定各個用電設(shè)備在某個時段內(nèi)進(jìn)行開關(guān)電源控制;系統(tǒng)中多臺設(shè)備可級聯(lián)適用，便于擴(kuò)展。

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