1引言

通信电源通常被称为通信系统的心脏，其工作方式不正常，将会造成通信系统故障，甚至导致整个系统瘫痪。美国APC公司的一项调查结果表明，大约有75％以上的通信系统故障都是由于电源设备故障或者是电源设备不符合技术条件而引起的。同时，随着通信电源向小型化、模块化发展，供电方式由集中供电向分散供电转变，以往的人工监控模式难以适应，从而使得可靠性更加难以保障。因此，通信电源监控系统也就应运而生。然而纵观现有的一些监控系统，或多或少都存在以下几方面的不足：首先，这些监控系统当时大多是由工控机或者自动化变电站演化而来的，不符合通信电源自身的特点；其次，没有形成统一的协议，难以纳入统一的监控网络；更重要的一点是，由于系统过于庞大，代价过于昂贵，无法满足目前已经十分普遍的本地用通信电源的需要。

正是基于以上的考虑，我们研制了一套本地用通信电源监控系统。系统采用模块化、通用化设计，要升级成大规模的监控系统，只需对上部的计算机网络加以简单的扩展。因此，具有较高的商业价值和研究意义。

2系统的体系结构及设计思想

2.1监控系统的体系结构

《通信电源和空调集中监控系统技术要求》中规定监控系统在结构上是一个多级的分布式计算机监控网络,一般可分为3级,即监控中心（SC－Supervisioncenter）、监控站（SS－ Supervisionstation）和监控单元（SU－SupervisionUnit）。其组成框图如图1所示。

由于本系统定位于本地用通信电源，没有必要设置监控中心，因此可以简化为两级结构，如图2所示。

2.2系统的设计思想

本系统的基本设计思想如下：

1）具有良好的兼容性，采用模块化、通用化的设计，便于升级。

2）具有较高的测量精度，各种电量测量精度优

于2％（其中直流电量应优于0.5％），非电量优于5％。

3）具有较强的实时性，从系统发生故障到反映

至有人值守的监控级的时间小于30s。

4）前端机既可工作在单机模式，也可以工作在联网运行模式。

本地用通信电源的一般结构如图3所示。

由于现在的整流模块（比如广泛使用的华为公司的 PS48）大部分已经实现智能化，只需通过RS232接口即可获得其状态及运行参数，因此，本系统的监控对象主要就是逆变器、蓄电池组以及交流输入。前端机所要完成的主要功能是：实现数据的现场采集、响应远端控制、监测系统的异常情况并进行声光报警以及紧急处理。

3前端机部分的设计

3.1硬件电路设计

在遵循上述设计思想的基础上，设计了一套方案，其原理框图如图4所示。

按照模块化的要求，分为微处理器及外设模块、A/D转换模块、开关量采集模块、控制量输出模块、人机接口模块、声光报警模块以及通信模块。

1）微处理器及外设模块

主处理器采用DALLAS公司的DS80C320单片机，它在普通单片机的基础上为P1口也定义了第二功能，从而拥有6个外部中断、3个定时/计数器，以及4个全双工的串行通信口，同时在指令上与8051兼容，对于监控系统来说十分适用。另外，根据系统需要，扩展了2片8155和1片8255、1片2864和1片串行E2PROM；

2）A/D转换模块

根据采集精度的要求以及被采集量变化缓慢的特点，采用了MAXIM公司的逐次逼近式12位串行A/D转换器MAXIM186。同时通过一片4051和一片4067扩展了输入通道。

3）开关量采集模块

开关量经过TLP521进行光电隔离以后，采用先中断后查询的方式送入单片机。

4）控制量输出模块

控制量采取OC门驱动输出的形式。

5）人机接口模块

包括键盘和显示模块。由于本系统定位于无人值守，因此只需要简单的几个按键，来完成滚屏显示、蓄电池均/浮充状态切换等功能。因此我们采取了3×3的行列式键盘。显示模块采用了内藏T6963C控制芯片的 MGLS－24064液晶显示模块，通过硬件初始化可以显示16×16点阵的字符或汉字。

6）通信模块

同时采用了RS232和RS485两种通信方式，其中RS232负责本地智能设备通讯获取数据及其状态；RS485负责与上位机之间通信，完成获取参数、传输数据、远程报警等功能。

7）声光报警模块

通过2片8155的定时器控制蜂鸣器和发光二极管实现声光报警功能。

3.2软件流程及主要算法

3.2.1主程序设计

上电复位以后，首先对CPU及其外围芯片进行

初始化，同时初始化控制状态，接下来显示主菜单，最后采用查询方式处理键盘和A/D转换、并与智能模块通信，获取信息。与上位机通信采用中断形式，且中断级别设为最高。开关量的输入采取先产生中断，后查询的方法。主程序流程图如图5所示。

采用查询方式处理键盘和A/D转换主要是为了提高系统的可靠性，简化软件设计。对键盘操作采用查询方式是一种新的尝试，主要是考虑监控模块处于长期无人干预的状态，实时性的要求并不太高。实验结果表明，在12MHz的晶振频率下，响应速度完全能够满足要求。

3.2.2采用的主要算法和技术

1）交流采样算法

首先通过互感器模块把大信号的交流量转换为0～5V的交流小信号，再对采样数据经过一定的算法得出测量值。目前常用的算法是均方根法，其基本思想是依据周期连续函数的有效值定义，将连续函数离散化，从而得出电压的表达式为式中：N为每个周期均匀采样的点数；

ui为第i点的电压采样值。

2）标度变换算法

由于被测对象的各种数据的量纲与A/D转换的输出值不一致，因此，采集得出的值只是对应于参数值的大小，要进行处理和显示必须首先把它转换成带有量纲的数据。本系统除温度传感器以外，其余的采集量都呈线性关系，可以利用下式计算：式中：Y为测量值，Y0为量程最小值，Ym为量程最大值，Nm为Ym对应的转换值，N0为Y0对应的转换值，X为Y所对应的转换值。对于温度数据则采用多项式变换的方法，即首先选定多项式的次数N，然后选取N＋1个测量点，根据实际参数值与转换值之间的关系，求出多项式的系数。在以后的测量中就按照这一多项式完成实际的标度变换。

3）数字滤波技术

通过简单的计算或者判断程序，对采样信号进行平滑处理，分离出有用的信号，消除或减少各种干扰和噪声。目前常用的方法有程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、加权平均滤波法等。由于对采集的速度要求不是特别高，但对精度有较高的要求，同时由于被采集的模拟量变化缓慢，因此采用将算术平均滤波和中值滤波结合的复合滤波方法。其方法是：首先把采样值按大小排队，然后去掉最大和最小值，最后把剩余采集值加起来取平均值。

4）数字调零技术

采用这种方法主要是为了消除模拟开关、放大电路以及 A/D转换器本身的偏差，削弱随时间和温度变化的漂移的影响。具体方法是先把模拟开关接到所需测量的输入信号上，转换后得到测量值为X1，然后把多路开关的输入接地，测出零输入时的测量值为X0，将X1减去X0即为实际输入值X。

3.3蓄电池监控模块

在这一系统中，蓄电池监控模块是一个相对独立的单元。它既能作为本系统的一部分使用，同时加以简单扩展也可以成为单独使用的蓄电池在线检测仪。蓄电池监控一直是国内外研究的热点和难点问题，它主要完成以下几方面的功能：剩余容量的在线检测、均/充方式转换、过放电保护、电池体温度测试、单体端电压测试及落后电池检出等等。其中剩余容量是用户最为关心的一个问题，目前对剩余容量的测试主要有以下几种方法:

1）定时放电法：以0.1C的放电速率放电至终止电压时所放出的容量；

2）蓄电池巡检和落后电池检出机制：在放电状态下，找出端电压下降最快的一只，在线状态测试其容量，并把它作为整组电池的容量；

3）开路电压推断法：根据W.Nrnst方程推算出电池电动势与电解液密度的关系，进一步推算出剩余容量；

4）交流电导法：将已知频率及振幅的交流电流施加到电池组的两端，测量所产生的同相交流电压，二者的比值就是交流电导。美国GNB公司曾对容量由200A～1000A时，电池组电压由18V～360V的近 500个VRLA电池进行了测试，实验结果表明，电导与电池容量的相关性非常好，相关系数可以达到88％。因此本系统采用交流电导法进行剩余容量的测试。

3.4抗干扰措施

由于前端机直接面向各种电源设备，很容易受到各种干扰（主要有空间干扰、电源干扰和过程通道干扰）的影响。这些干扰一旦窜入系统，轻则会引起误测、误报，严重时还会导致整个系统瘫痪。因此，在设计时分别从硬件和软件上采取了相应的抗干扰措施。

在硬件上主要采取：

1）加装看门狗及电源监控电路；

2）在干扰可能性较大的开关量采集电路以及输出开关量控制电路中采用光电隔离；

3）使用XICOR公司的串行E2PROMX84041作为非易失性数据存储模块，用来存储工作参数以及系统运行参数。

在软件上主要采取：

1）模拟量采集采用数字滤波和数字调零技术；

2）对于开关量，利用干扰信号与有效输入信号脉宽不同的特点，采取读两次的办法，即第一次读入数据后延时1ms后再读一次，两次结果相同才予以确认；

3）在输出的开关量控制中，也采取重复输出数据的方法。这样即使发生错误控制，也可以及时地得到弥补；

4）采用指令冗余技术和陷阱捕捉技术，防止程序跑飞；

5）利用“时间片"解决系统死锁问题。

4结束语

本系统已研制成功并在某单位投入使用。实验结果表明，本系统具有采集精度高、成本低廉、便于升级的优点，对于目前已相当普遍的本地用通信电源系统十分适用。

参考文献:

[1]刘希禹.通信电源与空调及环境集中监控系统[M].北京：人民邮电出版社，1999.

[2]李华.MCS－51系列单片机使用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993.

[3]YDN023－1996.通信电源和空调集中监控系统技术要求及通信协议[S].

[4]安静.动力设备及环境集中监控系统的关键设备及典型产品[J].电信科学，1998，（5）：48～50.

[5]DALLAS公司网上资料，www.dalsemi.com

作者简介：徐小杰（1978－）男，空军工程大学电讯工程学院电力电子与电力传动专业硕士。主要研究方向为电力电子装置的智能检测与控制。