通信电源监控系统下位机硬件电路的设计

文章摘要：3.2.1 信号预调理电路信号预调理电路的作用在于将不同范围的电压、电流信号转换为模拟开关和模数转换器所要求范围的电压信号。针对不同的信号必须采用相应的预调理电路，此处对交流电压、电流信号调理部分均采用了电流型的互感器；直流电压的调理电路采用了带负反馈的光隔放大电路；直流电流的调理采用了霍尔传感器，同时为了调整方便，将霍尔传感器的输出经过电阻分压以后，通过两级反向放大后送入A/D转换器。3.2.2 量程在线转换电路在通信电源监控系统中，由于所要处理的信号十分复杂，电平高低相差很大。因此，如何实现测量量程的在线转换，一直是人们所关注的问题。通常的转换方法是采用程控增益放大器，或者是多路输入的形式

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3.2.1 信号预调理电路
信号预调理电路的作用在于将不同范围的电压、电流信号转换为模拟开关和模数转换器所要求范围的电压信号。针对不同的信号必须采用相应的预调理电路，此处对交流电压、电流信号调理部分均采用了电流型的互感器；直流电压的调理电路采用了带负反馈的光隔放大电路；直流电流的调理采用了霍尔传感器，同时为了调整方便，将霍尔传感器的输出经过电阻分压以后，通过两级反向放大后送入A/D转换器。
3.2.2 量程在线转换电路
在通信电源监控系统中，由于所要处理的信号十分复杂，电平高低相差很大。因此，如何实现测量量程的在线转换，一直是人们所关注的问题。通常的转换方法是采用程控增益放大器，或者是多路输入的形式，这必然以增加电路的复杂性和降低可靠性作为代价。本系统中采用了数字电位计X9241来实现测量量程的在线转换。XICOR公司的X9241内部集成了四个非易失性E2POT。其中每一个E2POT包含有63个电阻单元，一个滑动端计数寄存器（WCR）和四个可以由用户读出和写入的8位数据寄存器。滑动端计数寄存器的内容用来控制滑动端在电阻阵列中的位置，并且可以和数据寄存器之间进行双向的数据传输。其具体的通信规约和时序可参见参考文献[3]。由于MC68332没有I2C接口部件，与X9241的互联很不方便。但是通过时序分析发现，可以通过通用I/O总线和一个定时器来模拟I2C总线的功能，即采用处理器的两根口线分别作为SDA和SCL总线，通过内部定时器产生所需要的时钟。具体电路连接电路如图3所示。图3 测量量程在线转换电路
从理论上讲，利用数字电位计可以实现任意量程的转换。但由于模数转换器精度的限制以及通信电源监控系统高实时性的要求，选取过多的转换点反而会收到事倍功半的效果。通过试验发现，只需1：1，1：2，1：5，1：10，1：20，和1：50六种量程就可以保证输入信号在模数转换器的2/3量程附近，因此，在这里巧妙的利用了滑动端计数寄存器和数据寄存器之间的双向数据传输功能，实现上述六种量程在线转换。具体的实现方法是：在两个E2POT的R0中存储值为01H，由于上电复位时滑动端计数寄存器会自动装入R0中的值，因此初始化时，放大器为一跟随器，当需要测量微弱电流时，根据初次采集得到的值，与事先设定的参考值进行比较，选择合适的量程进行放大后重新采集。
在采用这一技术之后，数据采集的精度有了较大的提高。但同时这一电路有时会在输出端产生振荡，造成输出波形失真，解决方法是在放大器输入和反馈端串联两个电阻，增加其到输入端的衰减通道。
3.2.3模数转换主电路
在模数转换部分，根据系统采样精度和速度的要求，我们采用了AD公司的高速模数转换ADS774。它是一种采用CMOS技术的低功耗、高采样速度的12位模数转换器，从模拟量输入到转换结束的时间为8.5us,采样频率可达117khz，而且具有内部的采样和保持电路，其自身就是一个完备的数据采集系统。ADS774的具体工作时序和工作原理可参见文献[3]，在此不再敷述。
3.3 开关量采集模块
开关量的采集正确与否直接影响控制的准确程度。作为通信电源监控系统中的开关量采集电路必须满足几点要求：一是采集电路的接入不能干扰原电源设备的工作状态；二是采集电路不允许有误读，否则将会引起监控系统的误控；三是开关量调整后应该符合监控系统的接口要求，低电平为0~1V，高电平为3.6~5V。这就要求采集电路必须具有较高的可靠性和隔离度[4]。图4给出了开关量采集电路的调理电路。图4 开关量信号采集电路
3.4 人机接口模块
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，对键盘功能的要求相对较弱，因此我们采取了4*4的行列式键盘。显示模块则采用了内藏HD61202控制芯片的LCM19264A液晶显示模块，可以显示四行、十二列的汉字。

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