王政

【摘 要】本文介紹了一種工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控電源設(shè)計(jì)。以TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F169為電源主控芯片，實(shí)時(shí)采集電源輸出電壓、電流、溫度及檢測(cè)電源異常狀態(tài)等信息，基于MODBUS協(xié)議和RS485總線將獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。分析數(shù)據(jù)并通過(guò)上位機(jī)發(fā)送控制命令給電源主控芯片，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整PWM波輸出及時(shí)修正電源輸出電壓、電流。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)上對(duì)電源持續(xù)有效工作要求。

【關(guān)鍵詞】電源；MSP430F169；MODBUS協(xié)議；RS485總線

Design of Industrial Remote Monitoring Power Supply

WANG Zheng

（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

【Abstract】A design of industrial remote monitoring Power Supply with high stablity， is proposed in this paper. The ultra low power 16 bit microcontroller MSP430F169 produced by TI company act as the main control chip of Power Supply， to collect the real-time information of voltage，current， temperature and to test the error state of Power Supply. Based on the Modbus protocol and RS485 bus， the collected information of Power Supply is sent to Host Computre. The data is analyzed， then， Host Computre send control commands to the main control chip which change the PWM waveform output of the drive circuit to correct the output voltage and current of Power Supply in time. After the test， the Power Supply sustainly and effectivly working in industry is realized.

【Key words】Power Supply； MSP430F169； MODBUS protocol； RS485 bus

0 引言

電子電氣設(shè)備已涉及日常工作、生活各方面，而電子設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行離不開(kāi)安全可靠的電源。電源產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍工、科研、生活等領(lǐng)域，工業(yè)系統(tǒng)中對(duì)電源的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能和高可靠性要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)電源未對(duì)采集的電源數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和再訪問(wèn)，缺乏數(shù)據(jù)的分析處理，因而難以確保電源可靠工作。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種新型遠(yuǎn)程監(jiān)控電源[1-3]。它是基于開(kāi)關(guān)電源獲取恒壓或恒流輸出，基于MODBUS協(xié)議[4-5]和RS485總線[6-7]技術(shù)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，基于微控芯片MSP430F169及外圍驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電源主機(jī)的監(jiān)控。

1 電源主機(jī)硬件部分

該電源由6個(gè)電源模塊和1個(gè)上位機(jī)控制單元組成。上位機(jī)和電源模塊之間通過(guò)RS485總線通訊。每個(gè)電源模塊有電壓、電流兩種工作模式。電壓工作模式為將監(jiān)測(cè)的輸出電壓作為反饋量，與控制電壓比較，根據(jù)比較結(jié)果控制輸出電壓。電流工作模式為將監(jiān)測(cè)的輸出電流作為反饋量，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流。其中，電壓模式時(shí)用戶直接控制輸出電壓大小，電流模式時(shí)用戶可以直接控制輸出電流大小。每個(gè)電源模塊的組成為電源實(shí)現(xiàn)部分、下位機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡和下位機(jī)控制板卡。其總體框架如圖1所示。

1.1 電源實(shí)現(xiàn)部分

開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)輸出電壓0-20V可調(diào)，輸出電流0-1200A可調(diào)；三相電缺相檢查、輸入過(guò)壓欠壓檢查、輸出過(guò)壓欠壓過(guò)流保護(hù)；提供±24V、±15V交流電，給下位機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡和控制板卡供電；提供溫度檢測(cè)傳感器。

1.2 下位機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡

使用PWM模塊驅(qū)動(dòng)電源實(shí)現(xiàn)部分的IGBT工作，并提供PWM控制接口給下位機(jī)控制板卡，實(shí)現(xiàn)輸出電壓和電流調(diào)節(jié)；使用LED指示電源實(shí)現(xiàn)部分的相關(guān)故障并將故障信號(hào)連給下位機(jī)控制板卡的開(kāi)關(guān)量輸入引腳；將±24V和±15V交流電轉(zhuǎn)成±12V直流電，并給下位機(jī)控制板卡供電；實(shí)現(xiàn)缺相、輸入欠壓過(guò)壓、輸出過(guò)流過(guò)壓欠壓的監(jiān)測(cè)功能。

1.3 下位機(jī)控制板卡

通過(guò)單片機(jī)DAC引腳產(chǎn)生0～5V控制信號(hào)，用于控制PWM的輸出脈沖寬度；通過(guò)單片機(jī)開(kāi)關(guān)量輸入引腳，檢測(cè)缺相、輸入欠壓過(guò)壓、輸出過(guò)流過(guò)壓欠壓等故障狀態(tài)；通過(guò)單片機(jī)開(kāi)關(guān)量輸出引腳，給出TTL電平信號(hào)，用于關(guān)斷PWM模塊，實(shí)現(xiàn)軟件關(guān)機(jī)功能；通過(guò)單片機(jī)讀取數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）數(shù)值；通過(guò)單片機(jī)開(kāi)關(guān)量輸出引腳顯示當(dāng)前工作模式（電流模式或電壓模式）；RS485地址可調(diào)。

下位機(jī)控制板卡核心部件為單片機(jī)（選型為MSP430F169），該單片機(jī)能夠提供如下資源：3路ADC輸入、2路DAC輸出、6路開(kāi)關(guān)量輸入、5路開(kāi)關(guān)量輸出。其中，輸入開(kāi)關(guān)量用于獲得電源的各種狀態(tài)；輸出開(kāi)關(guān)量用于控制PWM的通斷、電路狀態(tài)指示燈等，ADC用于監(jiān)測(cè)輸出電流和輸出電壓；DAC用于控制輸出電壓和輸出電流。

2 軟件部分

2.1 下位機(jī)固件

在下位機(jī)LCD上顯示電源模塊的各種狀態(tài)（包含當(dāng)前輸出電壓、輸出電流、故障模式、關(guān)鍵部件溫度以及當(dāng)前時(shí)間和日期等），100ms（控制周期）刷新一次；處理上位機(jī)的各種請(qǐng)求。

2.2 上位機(jī)程序

2.2.1 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言

C#，整個(gè)程序基于Microsoft.Net Framework環(huán)境運(yùn)行。

2.2.2 功能說(shuō)明

本控制系統(tǒng)通過(guò)RS485總線實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電源單機(jī)的聯(lián)網(wǎng)工作，中央控制程序?qū)螜C(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并按照用戶設(shè)定的工作模式和參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的全部單機(jī)進(jìn)行工作模式控制，對(duì)多機(jī)進(jìn)行負(fù)載均衡控制，保證電源網(wǎng)絡(luò)按照設(shè)定參數(shù)輸出，滿足工作需要。

2.2.3 通信協(xié)議

上位機(jī)和下位機(jī)的通信協(xié)議為MODBUS。

2.2.4 軟件總體架構(gòu)

軟件整體框架按5層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從下往上分別為硬件接口層、協(xié)議層、設(shè)備管理層、應(yīng)用層和界面層。各層分別與上一層和下一層通信，完成數(shù)據(jù)傳遞。分層設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是各層功能獨(dú)立，接口明確，在程序設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和維護(hù)上更為方便、快捷，各層內(nèi)部的功能和結(jié)構(gòu)變化不影響整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

3 結(jié)論

本文基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和工業(yè)控制中廣泛使用的MODBUS協(xié)議和RS485總線技術(shù)，以16位超低功耗的單片機(jī)MSP430F169作為主控芯片，加上合適的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了一種可遠(yuǎn)程監(jiān)控的電源。其中使用了六路電源模塊組成一個(gè)電源主機(jī)，更提高了工業(yè)控制中電源供電的可靠性。通過(guò)上位機(jī)程序與電源主機(jī)聯(lián)合測(cè)試，可監(jiān)控電源主機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠的恒定電壓或恒定電流輸出。隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展完善，無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控電源設(shè)備將更加方便，但穩(wěn)定性仍是關(guān)鍵技術(shù)之一，是值得繼續(xù)研究的方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]葉敦范，劉鑫，李亞敏，等.一種電源智能測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)與儀器儀表，2014，40（5）：93-96.

[2]鄭子欣.基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)48V直流開(kāi)關(guān)電源的監(jiān)控及模塊休眠功能研究[D].廣州：華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，2013.

[3]王貴鋒，李峰.基于單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2014，180（5）：47-49.

[4]楊亦洲，周杰，杜景林.基于Modbus協(xié)議和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的氣象無(wú)線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（10）：16-19.

[5]PHAN R C W，Authenticated modbus protocol for critical infrastructure protection[J].Ieee transactions on power delivery，2012，27（3）：1687-1689.

[6]孫曙光，牛麗麗，杜太行.基于RS485總線的功率因素分布式補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2014，51（15）：8-12.

[7]WILSON A R，VINCENT P S，Networked low-power sensing： network interface and main operating system[J].Ieee sensors journal，2010，10（9）：1495-1507.

[責(zé)任編輯：王楠]