一種多路電源智能控制系統的研究與應用

介紹了一種用于鐵路信號機兩路供電電源電壓，電流的實(shí)時(shí)控制系統。本系統能自動(dòng)按規定技術(shù)指標投入電源電壓質(zhì)量較好的一路，同時(shí)可顯示，查詢(xún)，打印故障數據，并且具有IC卡存儲功能，提供了一種智能化的控制手段。紅外線(xiàn)測溫儀| 溫濕度儀|紅外線(xiàn)溫度計| 露點(diǎn)儀| 亮度計| 溫度記錄儀| 溫濕度記錄儀| 光功率計| 粒子計數器| 粉塵計|

前言

本電源智能控制系統用于鐵路信號機兩路供電電源電壓，電流的實(shí)時(shí)測量記錄。能自動(dòng)按規定技術(shù)指標投入電源電壓質(zhì)量較好的一路。當兩路輸入電源電壓都不符合要求時(shí)，輸出電壓在延時(shí)10秒后會(huì )自動(dòng)切斷，當再有一路或兩路輸入電壓符合要求時(shí)，可自動(dòng)投入較好的一路。由于本系統是用于鐵路現場(chǎng)的測量?jì)x器，因此必須具有較高的測量精度，高度智能化，適應現場(chǎng)的惡劣環(huán)境，較大的數據記錄存儲空間，方便快捷的查詢(xún)打印模式，較強的擴展功能。

1  硬件組成及特點(diǎn)

硬件原理如圖1所示：

圖1  硬件原理圖

1.1  測量部分

本控制器的電壓，電流測量部分采用美國CRYSTAL公司的專(zhuān)用電量測量芯片CS5460A，CS5460A是高度集成的ΔΣ模擬－數字轉換器（ADC），它將兩個(gè)ΔΣADC，高速能量計算功能和一個(gè)串行接口集成在一個(gè)單芯片上,它用于精確測量和計算VRMS和IRMS值。CS5460A與低成本變壓器及電阻分壓器相連來(lái)測量電壓，與電流互感器及電阻分壓器相連來(lái)測量電流。 CS5460A 的特性是有與微控制器通訊的雙向串口，加電后芯片被初始化可自動(dòng)實(shí)時(shí)測量電壓、電流有效值。同時(shí)還包括一個(gè)可編程增益放大器，ΔΣ調制器，高速濾波器，系統校準功能。高通濾波器可以在計算前將輸入信號的直流分量過(guò)濾掉。高速濾波器用作一個(gè)固定的sinc2濾波器，并由一個(gè)短FIR補償。為了方便CS5460與微控制器之間通訊，該轉換器包括一個(gè)與SPITM和MicrowireTM兼容的簡(jiǎn)單3線(xiàn)串口。串口內部有一個(gè)施密特觸發(fā)器，允許慢上升沿的時(shí)鐘信號。

1.2 主控CPU

本控制器的主控CPU采用美國Microchip公司的PIC系列單片機PIC16C65B，PIC系列單片機是采用精簡(jiǎn)指令集計算機（RISC）結構的高性能價(jià)格比的嵌入式控制器。其高速度、寬工作電壓、低功耗、較大的輸入、輸出驅動(dòng)能力、一次性編程（OTP）芯片的低價(jià)位，體現了最新微控制器的諸多特點(diǎn)，同時(shí)也非常適合本系統的設計要求。

1.3 數據記錄存儲

對于故障數據的記錄和存儲,本系統采用美國ATMEL公司的大容量串行EEPROM AT24C256,它采用2線(xiàn)串行接口(I2C),低功耗CMOS技術(shù),具有較寬的電壓和溫度范圍,整個(gè)存儲器具有硬件寫(xiě)保護,1000000次的擦/寫(xiě)周期,數據保存40年以上，每個(gè)管腳的ESD保護都大于4000V，存儲容量為256K（32768*8），在本系統中可以實(shí)時(shí)記錄3270條故障記錄。采用循環(huán)滾動(dòng)刷新方式，確保存儲最近的3270條故障記錄。

對于數據的可靠性方面，考慮到現場(chǎng)可能的惡劣環(huán)境，為防止存儲數據被錯誤改寫(xiě)，只有在數據記錄時(shí)才給存儲器供電，并且采用校驗的讀寫(xiě)方式確保數據可靠記錄，其他時(shí)間切斷存儲切斷存儲器電源，確保記錄數據處于安全狀態(tài)。

1.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

系統記錄故障數據的標尺為時(shí)間，所以高可靠的實(shí)時(shí)時(shí)鐘也是數據記錄的關(guān)鍵技術(shù)，本系統采用PHILIPS公司推出的一種低功耗時(shí)鐘/日歷芯片-PCF8563，它也是采用2線(xiàn)串行接口(I2C)，內部包括了上電復位電路、振蕩與分頻電路。具有記時(shí)、日歷、定時(shí)、鬧鐘、中斷輸出和可編程時(shí)鐘輸出等功能。它的數據保持、時(shí)鐘工作的電壓為1～5.5V，與同類(lèi)器件相比，PCF8563休眠電流典型值為0.25微安（3V電池）。而其它器件最小為1微安，對本系統時(shí)鐘的電池更為有利。比同類(lèi)器件更靈活的可選時(shí)鐘輸出可以非常方便的校準時(shí)鐘。另外PCF8563內部集成有電壓低檢測器，并在秒寄存器的最高位做出指示，通過(guò)檢測該位可知數據是否可靠，從而提醒及時(shí)更換電池和校準時(shí)鐘。

1.5 供電電源的切換單元

系統實(shí)時(shí)檢測兩路供電電壓，當需要切換時(shí)，啟動(dòng)切換電路，切換電路采用軟硬件結合的方式，確保電路在帶載的情況下可靠的切換。硬件上采用互鎖邏輯電路，確保在任意時(shí)間只有一路導通，避免了兩路電源的貫穿短路。  

1.6 鍵盤(pán)及顯示

系統實(shí)時(shí)和記錄數據的顯示和切換由鍵盤(pán)及顯示電路完成，采用不同的顯示方式加以區別，使各種數據一目了然。同時(shí)還可以方便的通過(guò)鍵盤(pán)查詢(xún)故障數據和設置系統的時(shí)鐘。

1.7 打印接口

系統記錄的故障數據可以通過(guò)鍵盤(pán)查詢(xún)，同時(shí)還可以采用微型打印機打印輸出。打印時(shí)可以通過(guò)鍵盤(pán)設置起始和終了記錄，系統自動(dòng)判別其時(shí)間順序，按事件發(fā)生時(shí)間打印故障數據及故障發(fā)生的時(shí)刻。同時(shí)標明故障時(shí)刻的供電情況。

1.8 供電電源

系統高可靠性的電源是系統成敗的關(guān)鍵，本系統的電源要在只有一路滿(mǎn)足最低工作電壓和兩路接近最高極限電壓時(shí)，為系統提供優(yōu)質(zhì)、可靠的供電電源。系統采用分級多段的供電方式，較好的解決了寬范圍的電源方案。

1.9 系統擴展

系統為將來(lái)的擴展預留充分的接口。故障數據的輸出在顯示查詢(xún)、打印的基礎上，增加專(zhuān)用IC卡存儲，可將故障數據提到PC機上通過(guò)專(zhuān)用軟件直觀(guān)的分析故障數據，繪制打印故障曲線(xiàn)和故障記錄。

2  軟件組成及特點(diǎn)

系統的軟件是在硬件設計的基礎上，可靠、高效的完成各種系統功能，同時(shí)還在智能控制及良好的人機接口上采取了多項措施。

2.1 記錄數據的智能化管理

記錄的故障數據須可靠的按時(shí)間順序記錄，同時(shí)采用循環(huán)遞推的方式，準確記錄最后的3270條記錄，在查詢(xún)和打印時(shí)能夠快速、準確。

2.2 合理的切換邏輯

由于兩路電源空載負載的情況不同，在切換前后兩路電壓都會(huì )根據帶載情況的不同，發(fā)生不同程度的波動(dòng)，在考慮電壓變化極限的情況下，系統電源切換采用滯環(huán)邏輯控制，考慮電壓變化的情況下，確保每次切換后供電電源質(zhì)量更優(yōu)，有效的防止了系統切換振蕩。

2.3 有效數據冗余

對于數據的測量，在確保硬件可靠的基礎上，軟件上同時(shí)采取實(shí)時(shí)刷新測量數據、智能剔除粗大誤差，快速判斷電壓變換趨勢等方法，保證及時(shí)切換供電電源。在記錄數據采用特征標識碼及數據和校驗相結合的方法，保證記錄數據的可靠和真實(shí)。

3  性能指標
本機工作電壓: 額定電壓  220V   50Hz
極限范圍：140～300V(-80V～+80V)
測量電壓范圍：120V～300V
測量精度：140～300V時(shí)，誤差不超過(guò)3V
負載功率：1.1KW
工作溫度：-30～70℃
兩路切換時(shí)間：小于0.5秒
采樣時(shí)間：0.5秒
檢測功能：
正常范圍187～253V，工作范圍140～270V (-80V～+50V)

A．兩路都正常（198～242V）時(shí)，不記錄、不切換；兩路都正常（187～198V，242～253 V）時(shí)，記錄、不切換。   
B．一路正常，另一路超正常范圍時(shí)，記錄、切換到正常一路。
C．兩路都超正常范圍時(shí)，記錄、切換到較好一路。
D．一路超正常范圍，另一路超140～270V時(shí)，記錄、切換到可用一路。
E．兩路都超過(guò)140～270V時(shí)，記錄、若持續超過(guò)10秒切斷兩路負載。
F．超正常范圍，每變化3V時(shí)，記錄一次，但變化3V應持續超過(guò)5秒以上。
顯示、記錄內容：
A．超出范圍記錄：兩路電壓實(shí)時(shí)值，日期、時(shí)間（年月日、時(shí)分秒）。
B．采用LED同時(shí)顯示兩路電源電壓的電壓值，查詢(xún)時(shí)顯示電壓值發(fā)生的日期、時(shí)間。
C．記錄數據容量大于3276條。
備有微型打印機接口，可實(shí)時(shí)打印出故障數據、設備號、日期及時(shí)間。
具有專(zhuān)用IC卡存儲功能，進(jìn)行故障記錄和分析。

4  系統的應用

高可靠性，良好的電磁兼容性是貫穿本系統設計的指導思想。目前，本系統已成功應用于大同鐵路局鐵路信號機的電源控制中，以本系統為基礎加以改進(jìn)，還可用于其它的電源監測與控制。高度的智能化與大量可靠的故障記錄，為工作人員及時(shí)監測與處理故障提供了可靠的依據。