谷志陽，劉冰冰

（1.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035；2.溫州大學(xué)城市學(xué)院 信息工程分院，浙江 溫州 325035）

基于Xscale270的智能網(wǎng)管UPS電源設(shè)計與實現(xiàn)

谷志陽1，劉冰冰2

（1.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程系，浙江 溫州 325035；2.溫州大學(xué)城市學(xué)院 信息工程分院，浙江 溫州 325035）

基于Xscale270的智能網(wǎng)管UPS電源可實現(xiàn)UPS電源集中管理，解決維護效率低等問題。該UPS電源以嵌入式微處理芯片Xscale270為控制核心，集以太網(wǎng)、RS485、RS232、SNMP等多接口通信設(shè)計，具有自檢、自保護、自動報警等功能，支持熱插拔及現(xiàn)場自適應(yīng)接入，可單機獨立運行，也可多機并網(wǎng)運行，網(wǎng)管功能強大。

智能網(wǎng)管；UPS電源；Xscale270

0 引 言

不間斷電源（UPS）系統(tǒng)是電信機房、移動通信基站和因特網(wǎng)服務(wù)器等系統(tǒng)可靠運行的必備設(shè)施之一，這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)╇姷目煽啃院头€(wěn)定性有著非常高的要求。實踐表明，U P S電源提供的質(zhì)量高低是設(shè)備能否全天候不間斷處于高速、可靠和安全工作的關(guān)鍵因素。另外，隨著應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大，用戶對UP S電源的監(jiān)管與維護成了一項耗時耗力的工作，供電要求高與維護效率低的矛盾凸現(xiàn)。為有效解決矛盾，組成分布式遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對整個系統(tǒng)進行實時、全面的監(jiān)控和管理，成為一種必然趨勢[1]。本文以嵌入式微處理芯片Xscale270（以下簡稱Xscale270）為核心，多接口并存的智能網(wǎng)管UPS電源能自動兼容不同型號、不同版本UPS通信，以分布式系統(tǒng)構(gòu)架實現(xiàn)UPS統(tǒng)一組網(wǎng)，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)對UP S電源進行實時、全面及有效的監(jiān)控和管理。

1 UPS電源電路結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電路結(jié)構(gòu)

智能網(wǎng)管UPS電源以Xscale270為控制核心，其電路結(jié)構(gòu)由市電輸入濾波、整流器、逆變器、輸出耦合、同步控制、交流旁路、接口、蓄電池組及網(wǎng)管控制軟件等部分組成，如圖1所示。所有關(guān)鍵控制信號均經(jīng)Xscale270完成，逆變電路的脈寬調(diào)制發(fā)生器采用軟件編程、程序固化方式產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制中所需的50Hz基準正弦波信號。在實現(xiàn)強大的網(wǎng)管功能基礎(chǔ)上，本電源解決了逆變器脈寬調(diào)制時遇到的同頻同相、切換瞬態(tài)電壓差產(chǎn)生的環(huán)流、上下IGBT功率管直通造成電路的損壞三個技術(shù)難題。

圖1 UPS電源電路結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

本電源工作原理有兩種方式：一是經(jīng)圖1中虛線框內(nèi)的逆變通道電路，輸出高品質(zhì)正弦逆變電，穩(wěn)壓精度為±1.5%；二是經(jīng)市電輸入濾波和交流旁路后，直接向負載供電。為保證以上供電通道在相互切換瞬間不存在供電中斷現(xiàn)象，專門設(shè)計控制程序，使電路實現(xiàn)先閉合后斷開的工作方式，以避免切換瞬間負載供電中斷的現(xiàn)象。如在Xscale270控制下，交流旁路供電通道向逆變供電通道切換時，逆變通道電路將會先接入，交流旁路供電通道才會切除電路，反之亦然。

供電通道相互切換時，逆變電源與市電電源出現(xiàn)短暫時間內(nèi)供電重疊現(xiàn)象，將產(chǎn)生環(huán)流而導(dǎo)致電路故障[2]。為解決這個難題，電路加入同步控制電路，利用從Xscale270兩只獨立管腳送入的市電同步信號與逆變電源的同步跟蹤信號，構(gòu)成鎖相同步環(huán)的兩路輸入信號。在此條件下，從Xscale270另一管腳送出的基準方波信號總是與市電電網(wǎng)的正弦波電源處于鎖相同步跟蹤狀態(tài)，信號同步跟蹤范圍為35～65Hz，實現(xiàn)自動同步跟蹤市電5 0 H z工頻的能力。為盡可能減少U P S電源在執(zhí)行市電交流旁路供電和逆變器本身供電切換操作時，產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓差出現(xiàn)環(huán)流損壞機器的現(xiàn)象，Xscale270管腳送出的基準方波信號除具有自動同步跟蹤市電電網(wǎng)的頻率和相位的能力外，基準方波信號的幅值還能追蹤市電電源的幅值。只有當U P S進行逆變器供電狀態(tài)后，該信號才進入恒幅工作狀態(tài)，最終使得兩路電源在等幅值、同頻率、同相位的狀態(tài)下進行切換，從而避開環(huán)流造成的故障。

將Xscale270送出的基準方波信號再送入由運算放大器和周圍元件組成的正弦波發(fā)生器，在正弦波發(fā)生器輸出端得到同頻同相的50Hz基準正弦波信號。另外，從Xscale270另一路送出的48Hz基準方波信號經(jīng)外圍電路放大、分頻，以及由運算放大器和周圍元件組成的三角波發(fā)生器，輸出24Hz三角波，將以上兩路信號送入比較器，在輸出端得到一串正弦波調(diào)制信號（SPWM），反相后與原信號相位相差180°。這兩路信號經(jīng)緩沖放大，可得到相位差為1 8 0°的脈寬調(diào)制脈沖串。為防止脈寬調(diào)制脈沖串直接送入逆變器正、負極性I G B T功率管出現(xiàn)瞬間同時導(dǎo)通而損壞電路的故障，設(shè)計RC延遲電路，由RC組成的脈沖前沿延遲電路將這兩串相位互差1 8 0°。同時，脈寬調(diào)制脈沖串前沿彼此之間錯開一定角度，經(jīng)后級整形放大，使前后沿形成不交接的死區(qū)，再經(jīng)功率放大，光電耦合器隔離驅(qū)動正、負極性IGBT功率管，從而防止IGBT功率管直通造成電路損壞事故的產(chǎn)生。

2 UPS電源通信接口設(shè)計

為滿足單機自主管理和并機運行時的異地分布式網(wǎng)管要求，在Xscale270控制主板上設(shè)計以太網(wǎng)、RS232、RS485、SNMP、電話等通訊接口。10/100M以太網(wǎng)通信接口電路，選用DM9000作為網(wǎng)絡(luò)控制核心芯片，如圖2所示。為實現(xiàn)Xscale270與DM9000連接，必須對兩者間的數(shù)據(jù)、地址、控制三大總線進行連接和轉(zhuǎn)換。Xscale270是支持32位的微處理器，有32根地址線；DM9000為16位以太網(wǎng)控制芯片[3-4]，可通過設(shè)置EEDIO和WAKEUP的值支持處理器類型。DM9000數(shù)據(jù)輸出端TX、數(shù)據(jù)接收端RX分別與以太網(wǎng)變壓器U3（YL37-1107S）數(shù)據(jù)接收端RD、輸出端TD連接構(gòu)成硬件電路。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議使用TCP/IP協(xié)議，并在Windows CE環(huán)境下開發(fā)。Windows CE是高度模塊化的嵌入式操作系統(tǒng)，可根據(jù)目標設(shè)備或平臺的不同特點進行定制，具有強大的網(wǎng)管功能，包含TCP/IP、UDP、ICMP等大量各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，利用Microsoft Visual Studio 2005可輕松編寫運行于UP S電源控制主板的應(yīng)用程序，并調(diào)用該平臺提供的Socket API函數(shù)驅(qū)動以太網(wǎng)DM9000芯片。UPS電源IP地址設(shè)置界面如圖3所示。

3 UPS電源網(wǎng)管控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

網(wǎng)管控制系統(tǒng)總體方案采用分層分布式設(shè)計原則，使用以太網(wǎng)通信技術(shù)，實現(xiàn)遠程集中管理與控制目的，如圖4所示[5]。管理層由監(jiān)控主機擔當，為人機對話的窗口，負責信號處理和后臺監(jiān)控管理、操作、維護等功能，實現(xiàn)界面操作、用戶設(shè)置、U P S狀態(tài)查詢及異常和故障報警等功能。

圖2 10/100M以太網(wǎng)通信接口電路

圖3 UPS電源IP地址設(shè)置界面

圖4 UPS電源網(wǎng)管控制系統(tǒng)總體方案

U P S電源網(wǎng)管控制系統(tǒng)具有設(shè)備列表靈活、遠程管理UPS電源方便等特點，具有監(jiān)控現(xiàn)場UPS電源工作狀態(tài)、即時報警和報警處理等功能，可管理群多地理位置分散的智能UPS電源，實時反映UPS電源的通斷情況、環(huán)境溫濕度、電壓、電流、功率、頻率、電池供電狀態(tài)、逆變輸出狀態(tài)、并機狀態(tài)、鎖相是否成功等參數(shù)和信息。一旦電源出現(xiàn)異常，立即產(chǎn)生報警信息，且相關(guān)參數(shù)和圖標立刻變色示警，并閃爍提示；只有恢復(fù)正常狀態(tài)后，警示才消除。該系統(tǒng)可設(shè)置無人值守狀態(tài)，同時啟動電話語音、手機短信、電子郵件等報警方式。UPS電源運行電參數(shù)監(jiān)控界面和UPS電源運行環(huán)境溫濕度監(jiān)控界面如圖5、圖6所示。

4 結(jié)束語

由于采用了先進的嵌入式微處理芯片Xscale270，UPS電源外圍電路大為簡化，通信管理功能大為增強，并機、組網(wǎng)變得靈活方便，具有自動監(jiān)視運行狀態(tài)、

Design and Implementation of UPS Power Supply of Intelligent Network Management Based on Xscale270

GU Zhiyang1, LIU Bingbing2
(1.Electric and Electronic Engineering Department, Wenzhou Vocational & Technical College, Wenzhou, 325035,
China; 2.School of Information Engineering, City College, Wenzhou University, Wenzhou, 325035, China)

UPS power supply of the intelligent network management based on Xscale270 can achieve the centralized management of UPS power supply and solve the problem of low maintenance efficiency. With the embedded micro processing chip Xscale270 as the controlling core, integrating Ethernet, RS485, RS232, SNMP and other multi-interface design, the UPS power supply has the capacity of self-test, self-protection, automatic fault alarm and other functions. It can support hot-swappable and field adaptive access. In addition, it is standalone operation as well as multi-machine joint grid operation and is powerful in network management.

Intelligent network management; UPS power supply; Xscale270

圖5 UPS電源運行電參數(shù)監(jiān)控界面

圖6 UPS電源運行環(huán)境溫濕度監(jiān)控界面

TP303+.3

A

1671-4326(2013)02-0054-04

2013-02-27

谷志陽（1978—），男，浙江永嘉人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系，實驗師，工程師，碩士；

劉冰冰（1977—），女，浙江溫州人，溫州大學(xué)城市學(xué)院信息工程分院教師，碩士.