开关电源监控系统的设计与应用
1、引言
近几年来，开关电源技术得到了迅猛发展，对开关电源的智能化要求也越来越高。开关电源监控系统作为实现开关电源系统智能化要求的一部分，也越来越得到广泛的应用。开关电源监控系统的主要功能是通过电源与计算机的通信模块完成与监控中心的信息交换，接收监控中心的各种监测与遥控命令，并将电源的各种状态信息反馈给监控中心。监控系统通信模块的设计是组建开关电源监控系统的关键所在，该系统中所设计的监控系统通信模块与计算机通信的主要特点是实现了计算机与电源的主从总线1∶N通信方式，并且采用了MAX232和RS485双串行通信总线标准接口。本文所介绍的开关电源监控系统实际应用于对作者自行研制的多台12V5000A电镀用开关电源进行实时监控，实现了由一台计算机对多台电镀电源的远程监测与遥控。
2、监控系统通信模块设计
为了组建开关电源监控系统，系统中的每台电源配置了一个独立的监控系统通信模块。监控系统通信模块采用的控制芯片是MCS51系列单片机80C52。80C52具有8k的内部ROM和256字节的内部RAM。监控系统通信模块电路结构图如图1所示。计算机通过该通信模块可以实时读取电源的输出电压、输出电流值以及输出过压、输入过压、输入欠压、过流、过热、运行/停止等8路开关量的状态值，并可以在输出值允许的范围内任意设置电源的输出电压、输出电流值和复位、合闸、分闸、机控/本控4路开关量的状态值。从监控系统通信模块电路结构示意图可以看出，如果计算机需要读取电源模块的输出电压、输出电流值和开关量的状态时，单片机收到请求命令后启动A/D转换芯片MAX182对电源的输出电压、输出电流两路模拟量进行转换，转换后的数据送入单片机进行数据处理。同时表征电源运行状态的8路开关量从双总线收发器74LS245读入送至单片机寄存器存贮。单片机将所有处理后的数据按预定数据传送格式发送给计算机输出显示。计算机需要设置电源的输出电压、输出电流值和4路开关量的状态时，计算机将设置好的数据按预定格式发送给单片机。单片机接收处理后启动D/A转换芯片MAX532和输出锁存器74LS573将处理后的输出电压、输出电流值和开关量状态值输出给电源。监控系统通信模块从而实现了计算机对电源的实时监控。为了保证设计人员的安全和防止通信模块受电源影响而损坏，电源与通信模块之间的信号传递均通过光耦隔离。
为了确保电源与计算机在不同应用场合的准确通信，该监控系统通信模块采用了RS232C和RS485双串行通信总线标准接口。RS232C是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的、在异步串行通信中应用最广泛的标准总线，适于短距离或带调制解调器的通信场合。其逻辑电平对地是对称的，与TTL、MOS逻辑电平完全不同。逻辑0电平规定为＋5V～＋15V之间，逻辑1电平为－5V～－15V之间，模块中采用了MAX232驱动芯片进行电平转换。RS232C标准接口的主要缺点是数据传输速率慢、传送距离短，抗干扰能力差。模块配备RS232C标准接口使得任何含有串行通信口的计算机均可以实现和电源的通信具有广泛的适应性。RS485标准接口为差分驱动结构，它通过传输线驱动器把逻辑电平变换为电位差，完成信号的传递。RS485具有传输速率快、传送距离长、抗干扰能力强等优点，模块中采用了MAX485驱动芯片进行电平转换。MAX485输出的差分信号需经RS232与RS485转换模块转换后才能送至计算机，所以所有使用RS485与电源进行通信的计算机必须安装232/485转换接口卡。本模块配备的RS485通信总线标准接口使得监控系统通信模块可以适用于环境干扰比较大的工业现场的长距离通信。
3、监控系统通信协议设计
开关电源监控系统要实现一台计算机对多台电源的实时监控，必须制定准确的通信协议。通信协议是通信双方为实现正常通信所作的约定，所制定的规则。两进程要相互通信，就必须遵守这些约定规则。该监控系统设定的通信协议优点是实现了一台计算机可以同时监控多台电源的主从总线1∶N通信方式。在总线结构上有一个主站、即计算机，N个电源做为总线结构上的从站。
主从总线1∶N通信方式可以采用多种通信协议实现总线使用权的分配，本系统中使用的地址查询方式，主从总线1∶N通信方式的监控系统结构示意图如图2所示。系统给每个电源分配唯一的一个地址号，计算机分配一个固定的地址号。当计算机需要和某台电源建立通信时，计算机发出一个含有该电源地址号的请求命令包。挂在总线上的所有电源一直处于等待接收数据状态，计算机所发出的请求命令包将被所有的电源所接收。每个电源将接收到的请求命令包中所包含的电源地址号与本模块的地址号相比较，只有地址号与计算机所发出的请求命令包中所包含的地址号相同的电源才与计算机建立通信，响应计算机所发出的请求命令。其它地址号不相同的电源将拒绝响应计算机的请求命令，继续保持接收数据状态，等待响应计算机发出的下一个请求命令包。系统中的这种地址查询方式实现了任何时候总线上最多只有一台电源与计算机通信，其它电源处于等待接收数据状态，从而有效地避免了总线使用权的冲突。
