基于C8051F021 的直流电源监控系统

摘要: 介绍Cygnal 单片机C8051F021 和智能直流高频开关电源系统的特点及功能。文中给出一种基于C8051F021 的微机监控直流系统的构成方法并讨论了微机监控模块的工作原理。

关键词：单片机；监控；直流电源；蓄电池

C8051F021 单片机简介

CIP251 内核
C8051F021 使用Cygnal 的专利CIP-51 内核， 与MCS-51 指令系统完全兼容。采用流水线结构，大大提高了指令运行的速度，最大速度可达25MIPS。此外，还提供22 个中断源、片内独立工作的时钟发生器、电源监视器、看门狗等设备，以增加SOC 芯片的功能。

存储器
C8051F021 有64K字节的可在系统编程的FLASH程序存储器，其地址为0x0000～0xFFFF。它有内部数据RAM256 字节，其中高128 字节分为两部分地址空间，一部分是RAM 区，另外一部分是特殊功能寄存器区。通过不同的寻址方式来区别这两个区(RAM 采用间接寻址，特殊功能寄存器区采用直接寻址) 。低128字节数据RAM 既可用直接寻址又可以用间接寻址。C8051F021 还有位于外部数据存储器地址空间的4K字节的RAM块。它还提供了64K字节的外部数据存储器接口，用于访问片外存储器和存储器映像的I/ O器件。

模拟通道
C8051F021 内部集成了一个功能强大的ADC 子系统，它包括一个9 通道的模拟多路开关、一个可编程增益放大器和一个100ksps 的12 位分辨率的逐次逼近型A/ D 转换器，内置一个1. 2V、15ppm/ ℃的电压基准。该子系统还集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。可编程增益放大器的增益分为6 级，最大增益为16 ，可由软件编程实现。在模拟通道中，前8个通道用于对外部模拟信号的测量，第九通道接到内部温度传感器，用来测量芯片温度。通过软件编程，可以设置外部输入为单端输入方式或差分输入方式。可编程窗口检测器能够自动地、不停地将A/ D 转换结果与用户编程所设置的极限值进行比较，越限则立即通知控制器。

C8051F021 有两个12 位电压输出方式的DAC ，每个DAC 的输出均为0V～VREF-1LSB。

数字通道
C8051F021 具有4 个8 位的I/ O 端口，每个端口的引脚都可以由程序配置为推挽或漏极开路输出。此外，还引入了数字交叉开关，即数字开关网络。通过该网络，可以将内部数字系统资源分配给P0 、P1 和P2 端口的各I/ O 引脚。用户通过软件编程控制该开关网络，可以将片内的计数器/ 定时器、串行总线、硬件中断、A/ D 输入端等配置后使其出现在所需的端口，因此使用户能够根据自己需要选择通用端口和所需数字资源的组合。C8051F021 具有片内JTAG接口和逻辑。

串行通讯设备
C8051F021 内部有两个全双工的异步串行口UART0 和UART1。它们除了具有标准串行口的功能外，还具有帧错误监测和地址识别硬件。还有一个完全符合系统管理总线标准的串行接口SMBus 和一个串行外设接口SPI。这些串行总线都完全由硬件实现，且都可以产生中断。它们不共享定时器、中断、或I/ O端口，因此可以同时使用所有的串行口。

直流高频开关电源系统

功能与特点
(1) 智能化管理蓄电池，严格按照蓄电池的充电曲线运行，对蓄电池的均充和浮充以及切换全部自动完成。(2) 通过实时测量电压、电流、温度等系统参数，监视整个系统的运行状态。(3) 采用大屏幕液晶显示器，可显示系统参数、故障状态等信息;通过键盘还能够进行系统参数的设置与修改，并可进行系统操作。(4) 系统采用双微机监控模块结构，主监控模块处于运行方式，而副监控模块则处于热备用运行方式，以提高系统的安全性能。(5) 微机监控模块有RS485 串行通讯接口，便于与RTU 或综合自动化系统通讯，实现“遥测”“遥信”等功能。(6) 对输出电流的响应速度极高，增强了系统的负载适应能力。

系统结构
智能直流高频开关电源系统的原理框图如图1 所示。三相交流电源输入到开关电源整流模块，经整流模块输出220V 直流电压;该电压与蓄电池组并联后提供合闸母线电压;合闸母线电压经过调压模块的调整后输出控制母线电压。开关电源整流模块利用高频开关电源技术实现交直流的转换，它的输出电压可由外部控制，也就是说它是输出电压可以随时调节的整流模块，这就便于利用微机控制它的输出电压的大小。智能系统的目的就是使直流系统中的直流母线电压能够时刻满足系统的要求，对系统的故障能够自动检测并发出告警信号，以保证系统工作的可靠性。该系统的控制核心是微机监控模块，它实时监测交流输入电压、各直流母线电压、充电机电流、蓄电池电流及蓄电池温度等模拟信号，并依据系统参数的设定值来判断系统状态，进行必要的操作与调整。诸如蓄电池的均、浮充之间的切换与控制、整流模块输出电压的调整、系统数据的显示、故障状态显示及报警等。电池监测模块完成对蓄电池组中所有单只蓄电池端电压的测量后，通过RS485 串行接口将测量数据传送到微机监控模块。


微机监控模块

微机监控模块功能
(1) 系统监测。(2) 系统控制及保护。(3) 蓄电池的智能管理。(4) 系统通讯。

监控模块的工作原理
图2 是微机监控模块的原理框图。以C8051F021测量输入的模拟信号和输出调压模拟信号。根据被测信号是否需要隔离来区分输入信号，分别处理。其中交流电压信号取自交流电压互感器，直流电流取自霍尔电流互感器，测温选用集成温度传感器AD590 ，对上述信号测量时不需要隔离，进行适当放大处理即可进入C8051F021 的A/ D 通道。测量直流母线电压采用电阻取样，由于取得的被测信号与直流系统在电气上是相连的，因此，为保证测量系统的准确性与安全性必须对被测信号进行隔离。本模块中对这些通道采用了高精度的线性光电耦合器隔离，隔离后的信号再经放大进入A/ D 通道。输出调压信号由C8051F021 中的D/ A 转换器实现，D/ A 输出的信号经过功率放大之后驱动调压模块，调整直流母线电压。

除了上述模拟信号的测量与控制功能外，单片机还接受诸如模块故障、风机状态等开关量信号输入，这些信号都是通过中断响应的。单片机根据所测量的各种信号及系统参数的设定值，作出判断，并给出相应的控制信号输出，包括通过D/ A 输出调压信号和经驱动后控制继电器输出相应的开关信号。此外，单片机还负责管理大屏幕液晶显示器，显示文种为中文，显示方式为下拉式菜单，显示内容包括主菜单、测量数据、系统设置、系统告警等子菜单;负责管理键盘，响应对系统的操作和对系统参数的设置与修改。本监控模块利用C8051F021 具有的两个异步串行口分别完成对上位机的通讯和与监测蓄电池的下位机的通讯。


主副监控的切换
微机副监控模块的功能与主监控模块基本相同。在硬件的配置上，除了显示器采用LED 数码管而不是大屏幕液晶显示器之外，基本上与主监控模块相同。

对副监控所有的系统参数的设置均与主监控相同。正常工作时，副监控处于非工作状态，它的显示屏幕上显示待机状态。但它实时监测系统的所有模拟信号并对系统进行工作状态的判定，与主监控不同之处是它不显示任何测量结果与状态，且不参与系统的控制。此时由主监控负责控制系统，而对系统控制权的切换却由副监控掌握。当直流母线电压出现越限并且越限时间超过规定范围仍未能恢复正常时，副监控便夺过对系统的控制权，实行对系统的控制，同时发出主监控异常信号。待主监控恢复正常后，人为控制将监控权切换到主监控。

监控模块的软件设计
监控模块的软件设计采用汇编语言，在设计时，首先实现一个简炼的主程序，然后在此基础上，把所有要完成的功能编制成相应的任务模块。根据模块各自的特点，或者由系统统一调度，或者在响应中断后执行。

主要软件模块有:

(1) 系统自整定模块:其功能是完成系统的自动整定，包括整机硬件设备的自检、自诊断、继电器状态的设定等。
(2) 数据采集及处理模块:主要功能是完成交、直流电流、电压信号、温度等模拟信号的采样并计算出其相应的数值。
(3) 计算和调整模块:根据采集的模拟信号和输入的开关量，通过计算、分析，确定是否需要调压以及调整方向和它的步长值。输出控制调整信号，控制调压模块调整输出电压。根据分析结果，输出相应的开关量。
(4) 键盘处理模块和显示模块:键盘处理模块完成按键的识别功能，并在确认有效按键后调用相应按键功能函数进行处理。显示模块则负责管理显示主菜单以及各种子菜单，并将显示缓冲区内的内容按要求显示出来。
(5) 通讯模块:完成异步串行口接口管理功能，串口1 负责接收上位机的控制命令，向上位机发送数据及状态。串口2 负责管理并接收测量蓄电池的下位机的测量数据。

结束语

本文所介绍的智能直流高频开关电源系统中的微机监控模块采用单片机C8051F021 ，充分利用该片上系统的强大的模拟及数字资源，简化了硬件电路，提高了系统的可靠性，同时也提高了监控模块的性能价格比。系统中采用主副监控模块的冗余设计，保证系统工作的可靠性。该系统经实际使用证明，设计合理、抗干扰能力强、运行可靠。