前言

    本電源智能控制系統(tǒng)用于鐵路信號(hào)機(jī)兩路供電電源電壓，電流的實(shí)時(shí)測(cè)量記錄。能自動(dòng)按規(guī)定技術(shù)指標(biāo)投入電源電壓質(zhì)量較好的一路。當(dāng)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(dāng)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(tǒng)是用于鐵路現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量?jī)x器，因此必須具有較高的測(cè)量精度，高度智能化，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，較大的數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)空間，方便快捷的查詢打印模式，較強(qiáng)的擴(kuò)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(cè)量部分

    本控制器的電壓，電流測(cè)量部分采用美國(guó)CRYSTAL公司的專用電量測(cè)量芯片CS5460A，CS5460A是高度集成的ΔΣ模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），它將兩個(gè)ΔΣADC，高速能量計(jì)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(cè)量和計(jì)算VRMS和IRMS值。CS5460A與低成本變壓器及電阻分壓器相連來(lái)測(cè)量電壓，與電流互感器及電阻分壓器相連來(lái)測(cè)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(cè)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(diào)制器，高速濾波器，系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。高通濾波器可以在計(jì)算前將輸入信號(hào)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(bǔ)償。為了方便CS5460與微控制器之間通訊，該轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)與SPITM和MicrowireTM兼容的簡(jiǎn)單3線串口。串口內(nèi)部有一個(gè)施密特觸發(fā)器，允許慢上升沿的時(shí)鐘信號(hào)。

    1.2 主控CPU

    本控制器的主控CPU采用美國(guó)Microchip公司的PIC系列單片機(jī)PIC16C65B，PIC系列單片機(jī)是采用精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)能力、一次性編程（OTP）芯片的低價(jià)位，體現(xiàn)了最新微控制器的諸多特點(diǎn)，同時(shí)也非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

    1.3 數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)

    對(duì)于故障數(shù)據(jù)的記錄和存儲(chǔ),本系統(tǒng)采用美國(guó)ATMEL公司的大容量串行EEPROM AT24C256,它采用2線串行接口(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(chǔ)器具有硬件寫(xiě)保護(hù),1000000次的擦/寫(xiě)周期,數(shù)據(jù)保存40年以上，每個(gè)管腳的ESD保護(hù)都大于4000V，存儲(chǔ)容量為256K（32768*8），在本系統(tǒng)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(chǔ)最近的3270條故障記錄。

    對(duì)于數(shù)據(jù)的可靠性方面，考慮到現(xiàn)場(chǎng)可能的惡劣環(huán)境，為防止存儲(chǔ)數(shù)據(jù)被錯(cuò)誤改寫(xiě)，只有在數(shù)據(jù)記錄時(shí)才給存儲(chǔ)器供電，并且采用校驗(yàn)的讀寫(xiě)方式確保數(shù)據(jù)可靠記錄，其他時(shí)間切斷存儲(chǔ)切斷存儲(chǔ)器電源，確保記錄數(shù)據(jù)處于安全狀態(tài)。

    1.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

    系統(tǒng)記錄故障數(shù)據(jù)的標(biāo)尺為時(shí)間，所以高可靠的實(shí)時(shí)時(shí)鐘也是數(shù)據(jù)記錄的關(guān)鍵技術(shù)，本系統(tǒng)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線串行接口(I2C)，內(nèi)部包括了上電復(fù)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(shù)據(jù)保持、時(shí)鐘工作的電壓為1～5.5V，與同類器件相比，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(duì)本系統(tǒng)時(shí)鐘的電池更為有利。比同類器件更靈活的可選時(shí)鐘輸出可以非常方便的校準(zhǔn)時(shí)鐘。另外PCF8563內(nèi)部集成有電壓低檢測(cè)器，并在秒寄存器的最高位做出指示，通過(guò)檢測(cè)該位可知數(shù)據(jù)是否可靠，從而提醒及時(shí)更換電池和校準(zhǔn)時(shí)鐘。

    1.5 供電電源的切換單元

    系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)兩路供電電壓，當(dāng)需要切換時(shí)，啟動(dòng)切換電路，切換電路采用軟硬件結(jié)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(dǎo)通，避免了兩路電源的貫穿短路。  

    1.6 鍵盤(pán)及顯示

    系統(tǒng)實(shí)時(shí)和記錄數(shù)據(jù)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(qū)別，使各種數(shù)據(jù)一目了然。同時(shí)還可以方便的通過(guò)鍵盤(pán)查詢故障數(shù)據(jù)和設(shè)置系統(tǒng)的時(shí)鐘。

    1.7 打印接口

    系統(tǒng)記錄的故障數(shù)據(jù)可以通過(guò)鍵盤(pán)查詢，同時(shí)還可以采用微型打印機(jī)打印輸出。打印時(shí)可以通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置起始和終了記錄，系統(tǒng)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(shù)據(jù)及故障發(fā)生的時(shí)刻。同時(shí)標(biāo)明故障時(shí)刻的供電情況。

    1.8 供電電源

    系統(tǒng)高可靠性的電源是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，本系統(tǒng)的電源要在只有一路滿足最低工作電壓和兩路接近最高極限電壓時(shí)，為系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)、可靠的供電電源。系統(tǒng)采用分級(jí)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(tǒng)擴(kuò)展

    系統(tǒng)為將來(lái)的擴(kuò)展預(yù)留充分的接口。故障數(shù)據(jù)的輸出在顯示查詢、打印的基礎(chǔ)上，增加專用IC卡存儲(chǔ)，可將故障數(shù)據(jù)提到PC機(jī)上通過(guò)專用軟件直觀的分析故障數(shù)據(jù)，繪制打印故障曲線和故障記錄。

    2  軟件組成及特點(diǎn)

    系統(tǒng)的軟件是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可靠、高效的完成各種系統(tǒng)功能，同時(shí)還在智能控制及良好的人機(jī)接口上采取了多項(xiàng)措施。

    2.1 記錄數(shù)據(jù)的智能化管理

    記錄的故障數(shù)據(jù)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(zhǔn)確記錄最后的3270條記錄，在查詢和打印時(shí)能夠快速、準(zhǔn)確。

    2.2 合理的切換邏輯

    由于兩路電源空載負(fù)載的情況不同，在切換前后兩路電壓都會(huì)根據(jù)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(tǒng)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(tǒng)切換振蕩。

    2.3 有效數(shù)據(jù)冗余

    對(duì)于數(shù)據(jù)的測(cè)量，在確保硬件可靠的基礎(chǔ)上，軟件上同時(shí)采取實(shí)時(shí)刷新測(cè)量數(shù)據(jù)、智能剔除粗大誤差，快速判斷電壓變換趨勢(shì)等方法，保證及時(shí)切換供電電源。在記錄數(shù)據(jù)采用特征標(biāo)識(shí)碼及數(shù)據(jù)和校驗(yàn)相結(jié)合的方法，保證記錄數(shù)據(jù)的可靠和真實(shí)。

    3  性能指標(biāo)

    本機(jī)工作電壓: 額定電壓  220V   50Hz

    極限范圍：140～300V(-80V～+80V)

    測(cè)量電壓范圍：120V～300V

    測(cè)量精度：140～300V時(shí)，誤差不超過(guò)3V

    負(fù)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(cè)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(xù)超過(guò)10秒切斷兩路負(fù)載。

    F．超正常范圍，每變化3V時(shí)，記錄一次，但變化3V應(yīng)持續(xù)超過(guò)5秒以上。

    顯示、記錄內(nèi)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，查詢時(shí)顯示電壓值發(fā)生的日期、時(shí)間。

    C．記錄數(shù)據(jù)容量大于3276條。

    備有微型打印機(jī)接口，可實(shí)時(shí)打印出故障數(shù)據(jù)、設(shè)備號(hào)、日期及時(shí)間。

    具有專用IC卡存儲(chǔ)功能，進(jìn)行故障記錄和分析。

    4  系統(tǒng)的應(yīng)用

    高可靠性，良好的電磁兼容性是貫穿本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想。目前，本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于大同鐵路局鐵路信號(hào)機(jī)的電源控制中，以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)加以改進(jìn)，還可用于其它的電源監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)與處理故障提供了可靠的依據(jù)。

     參考文獻(xiàn)

    [1] 王有緒、許杰、李拉成. PIC系列單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2000

    [2] CIRRUS LOGIC CORPORATION. Single Phase Bi-Directional Power/Energy IC-CS5460A. 2002