1 前言

　　上世紀60年代中期，美國科學家馬斯對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖1所示。實驗表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線。蓄電池放電后，用直流電按與放電電流相反的方向通過蓄電池，使它恢復工作能力，這個過程稱為蓄電池充電。蓄電池充電時，電池正極與電源正極相聯(lián)，電池負極與電源負極相聯(lián)，充電電源電壓必須高于電池的總電動勢。充電方式有恒電流充電和恒電壓充電兩種。

　　變電站、發(fā)電廠、通信機房需要穩(wěn)定可靠的直流電源系統(tǒng)為蓄電池充電，向控制回路和合閘回路供電。直流電源管理電池充放電、監(jiān)控開關狀態(tài)和直流系統(tǒng)運行狀態(tài)，以便在運行過程中確保電源和設備安全高效運行。電源監(jiān)控系統(tǒng)已從簡單的監(jiān)控功能發(fā)展到具有三遙和報警功能，具有較完備的管理和遠程監(jiān)控功能的系統(tǒng)。電源監(jiān)控系統(tǒng)基于導軌式安裝電力監(jiān)控儀表的電源監(jiān)控管理方案。該方案主要由觸摸屏、單相或三相交流信號采集單元、互感器構成，能對數據中心電源進行實時采集與顯示電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、諧波和電能。“節(jié)能減排”目前已成為衡量企業(yè)未來可持續(xù)發(fā)展的重要指標。隨著電信、銀行以及大型企業(yè)業(yè)務的擴展，龐大的數據中心所帶來的管理維護費用和不斷攀升的電費已成為企業(yè)主管的一大難題。

　　2系統(tǒng)硬件設計

　　2.1硬件電路設計

　　直流電源系統(tǒng)需要采集多路模擬量、數字量并要求多路空節(jié)點和0 V~4 V的可調電壓輸出，即“四遙”功能。監(jiān)控單元有兩個串行口，一個用于連接智能設備，另一個用于和TC35i通信。監(jiān)控單元還需要鍵盤和液晶顯示。根據以上需求，系統(tǒng)需在單片機最小系統(tǒng)的基礎上增加較多外設。采用帶雙串口的單片機減少外設數量，則增加系統(tǒng)成本，而且限制單片機本身的通用性。其硬件原理圖如圖1所示。

　　2.1.1單片機

　　單片機采用通用的SST89E516,是基于8051內核帶64 KB的Flash單片機，3個16-bit定時器/計數器，1個UART,36個GPIO,支持ISP;看門狗電路、時鐘電路和掉電保存電路采用FM3104.FM3104是RAMTRON公司推出的一款高性價比的集成器件，內部集成看門狗、低壓檢測、定時器、時鐘電路和鐵電存儲器。采用I2C通信。時鐘電路和鐵電存儲器分別為兩個地址，其中鐵電存儲器用于存儲系統(tǒng)參數，如告警號碼、遙測告警越限值等。

　　2.1.2 TC35i接口電路

　　西門子的TC35i是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，其頻段為雙頻GSM 900 MHz和GSM1 800 MHz,支持數據、語音、短消息和傳真。系統(tǒng)采用16C550擴展一個串口，以TTL電平的串行口方式和TC35i通信。

　　2.1.3顯示、鍵盤電路

　　顯示電路采用128×64液晶。液晶的接口片選由GAL16V8確定。為了簡化系統(tǒng)設計，鍵盤采用集成電路ZLG7290,單片機與ZLG7290的通信采用I2C通信方式。

　　2.1.4模擬信號采集電路

　　模擬信號采集電路是由整定、隔離和轉換3部分組成。不同的模擬信號整定電路部分不同，例如直流電壓采用精密電阻分壓法將0 V~400 V電壓整定為0 V~4 V;而交流電壓則采用電壓互感器整定為0 V~4 V;隔離電路采用線性光耦。

　　整定過的模擬信號經限壓處理，一并輸入多路開關。然后經過壓頻轉換(V/F)后輸入CPU處理。V/F轉換采用集成電路AD654.AD654是美國模擬器件公司的一款低成本、8引腳封裝的電壓頻率(V/F)轉換器，其單電源電壓為4.5 V~36 V;雙電源電壓為5 V~18 V;輸出頻率范圍為0 kHz~500 kHz;線性誤差為0.06%(250 kHz時);輸入阻抗為250 MΩ;其輸入電壓范圍為單電源為0 V~Vs-4 V,雙電源為-Vs~Vs-4 V.

　　2.1.5數字信號采集電路

　　數字信號指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個數值之內。二進制碼就是一種數字信號。二進制碼受噪聲的影響小，易于有數字電路進行處理，所以得到了廣泛的應用。數字信號采用TLP521隔離后送至總線驅動器74HC244.GAL16V8產生74HC244片選，單片機每隔10 ms查詢采集數字信號，并加入去抖動處理。

　　2.1.6空接點輸出電路

　　空接點用于實現直流模塊的開關機以及其他設備的控制。采用5 V繼電器輸出空接點信號。5 V繼電器控制也由總線控制。數據口經74HC273和MC1413驅動后控制繼電器。GAL16V8產生74HC273片選，可擴展多個空接點。

　　2.1.7模擬電壓給定

　　模擬信號給定采用數字DS1845電位器分壓實現。數字電位器將2.5 V基準電壓分壓后疊加總限流電壓信號，放大輸出作為直流模塊調節(jié)電壓的基準。

　　2.2電路可靠性設計

　　2.2.1屏蔽，隔離和吸收

　　本系統(tǒng)設計的通信線路均采用屏蔽雙絞線屏蔽外界干擾，并進行光電隔離。并將各范圍內的模擬量輸人信號統(tǒng)一轉換為0 V~4 V的電壓信號送至A/D轉換器，為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，采用差動放大器和隔離放大器。

　　2.2.2接地

　　信號接地保證同一邏輯系統(tǒng)的信號邏輯準確，消除同一邏輯系統(tǒng)的不等電位帶來的干擾，保護接地保證了系統(tǒng)各部分的安全工作。而數字信號地和模擬信號地單點連接。信號地和大地采用3KV102電容連接。

　　3系統(tǒng)軟件設計

　　3.1軟件設計思路

　　采用實時操作系統(tǒng)，即定時器T0產生10 ms中斷，利用10 ms中斷計數分別產生200 ms、500 ms和1 s任務。系統(tǒng)軟件模塊框圖如圖2所示。[!--empirenews.page--]

　　3.2短消息模塊無線傳輸

　　短消息模塊無線傳輸分為告警信息主動上傳和被動召喚。告警信息是主動上傳，而遙控、遙測和遙調則是通過短消息召喚或控制實現的。告警信息處理流程如圖3所示。

　　告警分為遙信告警和遙測告警。遙信告警實現方法：定義若干位為告警位，需產生告警的遙信接至該位置上，一旦觸發(fā)該位置遙信，則產生告警信息。

　　短消息模塊的告警信息必須以漢字發(fā)送。而每個漢字采用UNICODE編碼，占兩字節(jié)，如“電0x7535子0x5b50”.將漢字轉換成UNICODE編碼在單片機下編程比較困難。因為直流電源監(jiān)控的告警信息有限，并且微軟的操作系統(tǒng)提供該類函數，所以需將所有用到的漢字以表的方式寫入代碼空間。根據直流系統(tǒng)不同的告警代碼直接查取告警信息的UNICODE編碼。遙控遙調信息處理流程如圖4所示。

　　遙控、查詢測量信息是以TEXT方式發(fā)送。當短消息模塊接收下列格式的短消息后，并且密碼正確，就將召喚直流電源信息按照接收號碼返回短消息或者下發(fā)遙控命令，返回控制結果。

　　短信內容格式：“;密碼;功能碼(;內容1)(;內容2)(;……)”.其中，密碼為6個字符/數字;功能碼包含2個字符，如表1所列;內容長度不定。如：查詢系統(tǒng)測量信息短信內容格式：“;1234156;01”;遙控設備開關機格式：“;123456;02”.

　　4 結束語

　　本系統(tǒng)針對直流電源傳輸信息少的特點擴展了短消息模塊，為直流電源監(jiān)控設計了無線傳輸方案。基于短消息傳輸的電源監(jiān)控系統(tǒng)無需構建額外的無線通信網絡，而是通過現有的覆蓋面廣，運行穩(wěn)定的網絡進行專用的無線數據傳輸。