CN104102161A - 智能一体化电源开关量监控模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能一体化电源开关量监控模块，包括主控芯片、JTAG接口电路、继电器驱动电路、隔离电路、电源电路、选址电路和RS485接口电路；所述JTAG接口电路、继电器驱动电路、隔离电路、电源电路、选址电路和RS485接口电路均与所述主控芯片相连接；八路开出继电器通过所述继电器驱动电路与所述主控芯片相连接，由所述主控芯片通过所述继电器驱动电路驱动所述八路开出继电器；40路隔离开关故障检测信号通过隔离电路输入至所述主控芯片。本发明的智能一体化电源开关量监控模块，具有实时性好、精度高、易受控以及尺寸小、***电路简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能一体化电源开关量监控模块。
背景技术
随着智能电网建设、新能源的发展、轨道交通快速发展及居民用电智能化技术改造等的不断加大投资，市场需求量稳步增加，同时对电源产品的多样性和灵活性要求也逐步显现，尤其在国家节能减排大局势下，对电源产品的新技术应用要求较高。智能一体化电源***是专门为各类变电站、电厂等用户开发的智能高频开关电源***，稳定可靠。***采用高可靠性、高效能模块，可以提供稳定的电源输出。现除广泛应用于各种不同电压等级的变电站、电厂，也应用于国家重点工程如地铁、油田、化工、冶金等。
智能一体化电源监控***由主监控以及交流、直流、开关量、绝缘监测、电池巡检、智能通信电源和逆变电源等监控单元组成，可实现智能一体化电源***全部数据和信息的统计、分析、管理及显示等功能，并可通过各种规约与上位机通信，做到一体化电源综合监控、智能管理的功能。智能一体化电源***能够为全站交直流设备提供安全、可靠的工作电源。该***主要由ATS、充电单元、逆变单元、通信电源、蓄电池组以及各类监控管理模块组成，由各类功能单元的监控模块组成的一体化电源监控***采用分层分布架构，各功能测控模块采用一体化设计、一体化配置，实现一体化电源各子单元分散测控和集中管理，以及对一体化电源***运行状态信息的实时监测。
由于各监控单元模块布局分散，监控信号种类繁多，开关量监控模块便作为通信管理子模块将采集到的开关量数据进行处理并对外进行转发。
发明内容
本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种实时性好、精度高、易受控以及尺寸小、***电路简单的智能一体化电源开关量监控模块。
本发明为解决技术问题采用以下技术方案。
智能一体化电源开关量监控模块，其结构特点是，包括主控芯片、JTAG接口电路、继电器驱动电路、隔离电路、电源电路、选址电路和RS485接口电路；
所述JTAG接口电路、继电器驱动电路、隔离电路、电源电路、选址电路和RS485接口电路均与所述主控芯片相连接；八路开出继电器通过所述继电器驱动电路与所述主控芯片相连接，由所述主控芯片通过所述继电器驱动电路驱动所述八路开出继电器；40路隔离开关故障检测信号通过隔离电路输入至所述主控芯片；
所述JTAG接口电路，用于使得主控芯片能够在线下载程序并烧写调试；
所述继电器驱动电路，用于使得主控芯片能够驱动继电器线圈；
所述隔离电路，用于接入40路隔离开关故障检测信号，并将隔离开关故障检测信号的***强电和干扰信号转化为光信号，再将光信号转化为主控芯片能够接受的弱电和干净的信号；
所述电源电路，用于为主控芯片提供正常稳定的+5V工作电源；
所述选址电路，用于实现在多个开关量检测模块同时工作时让主控芯片识别并区分出不同开关量检测模块所采集的信号；
所述RS485接口电路，用于将输入的差分信号转换为主控芯片能识别的TTL通讯信号，实现与***设备正常通讯。
本发明的智能一体化电源开关量监控模块的结构特点也在于：
如图2所示，所述JTAG接口电路包括插接件JM1和电阻R1～R5，所述电阻R1～R5均与所述插接件JM1相连接。
如图3所示，所述继电器驱动电路包括电阻R6～R12、R20～R28、继电器驱动芯片UH5；所述电阻R6～R12、R20～R28均与所述继电器驱动芯片UH5相连接。
如图4所示，所述隔离电路包括电阻R29～R32、电容C1、电容C2、光耦Q1、二极管D2和压敏电阻RV1；所述电阻R29的一端与所述压敏电阻RV1的一端相连接后与所述主控芯片相连接，所述电阻R29的另一端依次通过所述电阻R30、电阻R31与所述光耦Q1相连接；所述电容C1与所述二极管D2相互并联连接后的一端连接在所述电阻R31和所述光耦Q1之间，所述电容C1与所述二极管D2相互并联连接后的另一端与所述所述压敏电阻RV1的另一端连接后接地；所述光耦Q1与主控芯片相连接；所述电阻R32的一端和电容C2的一端均连接在所述光耦Q1与主控芯片的连接端上，所述电阻R32的另一端和电容C2的另一端均接地。
如图5所示，所述电源电路包括降压型脉宽控制DC/DC转换器AP1501、电阻R13～R14、电容C3～C4、稳压管D1和电感L1；所述电阻R13～R14、电容C3、稳压管D1和电感L1均与所述降压型脉宽控制DC/DC转换器AP1501相连接，所述电容C4通过所述电感L1与所述降压型脉宽控制DC/DC转换器AP1501相连接。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明的智能一体化电源开关量监控模块，核心处理模块由NUC100LC1BN处理器和相关辅助、隔离及驱动组成。电路按照功能可以分为隔离处理模块、驱动模块，下载模块、供电处理模块、WTD模块、地址编码模块、运放跟随模块、RS485通信接口模块，可在监控***通中监控各类开关量状态，并作相应输出动作，保护电源***的稳定工作。
本发明的智能一体化电源开关量监控模块，具有实时性好、精度高、易受控以及尺寸小、***电路简单等优点。
附图说明
图1为本发明的智能一体化电源开关量监控模块的结构框图。
图2为本发明的智能一体化电源开关量监控模块的下载烧写JTAG调试接口(JTAG接口电路)示意图。
图3为本发明智能一体化电源开关量监控模块的继电器驱动电路的电路图。
图4为本发明的智能一体化电源开关量监控模块的隔离电路的电路图。
图5为本发明的智能一体化电源开关量监控模块的电源电路的电路图。
图6为本发明的智能一体化电源开关量监控模块的选址电路的电路图。
图7为本发明的智能一体化电源开关量监控模块的RS485接口电路的电路图。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图1-图7，智能一体化电源开关量监控模块包括主控芯片、JTAG接口电路、继电器驱动电路、隔离电路、电源电路、选址电路和RS485接口电路；
所述JTAG接口电路、继电器驱动电路、隔离电路、电源电路、选址电路和RS485接口电路均与所述主控芯片相连接；八路开出继电器通过所述继电器驱动电路与所述主控芯片相连接，由所述主控芯片通过所述继电器驱动电路驱动所述八路开出继电器；40路隔离开关故障检测信号通过隔离电路输入至所述主控芯片；
所述JTAG接口电路，用于使得主控芯片能够在线下载程序并烧写调试；
所述继电器驱动电路，用于使得主控芯片能够驱动继电器线圈；
所述隔离电路，用于接入40路隔离开关故障检测信号，并将隔离开关故障检测信号的***强电和干扰信号转化为光信号，再将光信号转化为主控芯片能够接受的弱电和干净的信号；
所述电源电路，用于为主控芯片提供正常稳定的+5V工作电源；
所述选址电路，用于实现在多个开关量检测模块同时工作时让主控芯片识别并区分出不同开关量检测模块所采集的信号；
所述RS485接口电路，用于将输入的差分信号转换为主控芯片能识别的TTL通讯信号，实现与***设备正常通讯。
如图2所示，所述JTAG接口电路包括插接件JM1和电阻R1～R5，所述电阻R1～R5均与所述插接件JM1相连接。所述插接件JM1为CON8_1D25，是一个8针插排，通过该接口实现了主控芯片在线下载程序，烧写调试，DEBUG所需要的JTAG接口，极大方便了程序的编写与生产调试。
如图3所示，所述继电器驱动电路包括电阻R6～R12、R20～R28、继电器驱动芯片UH5；所述电阻R6～R12、R20～R28均与所述继电器驱动芯片UH5相连接。
如图3所示，所述继电器驱动芯片为达林顿驱动器ULN2803。R6～R12、R20分别通过一个发光二极管与所述达林顿驱动器ULN2803相连接。共计有8个发光二极管，分别是LED1～LED8。特别适用于低逻辑电平数字电路(诸如TTL,CMOS或PMOS/NMOS)和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机，工业用和消费类产品中的灯、继电器、打印锤或其它类似负载中。所有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。ULN2803的设计与标准TTL系列兼容，而ULN2804最适于6至15伏高电平CMOS或PMOS，具有高耐压、大电流的特点。
ULN2803驱动继电器,输出端直接接继电器线圈一端,继电器线圈的另一端接V+电源,你用的是5V继电器,也就是继电器线圈另一端接5V电源.ULN2803的9脚要接5V正电源,片内有续流二极管.ULN2803的输入端直接和单片机I/O相连,不必加电阻.单片机输出高电平就可驱动继电器动作。
uln2803为八重达林顿晶体管阵列，脚1，2,3,4,5,6,7,8，为输入，对应的脚18,17，16,15,14,13,12,11，为输出。10脚为8路输出的续流二极管公共端。输入电压5V，TTL和5V的CMOS电路可直接驱动。输出500MA、50V。因为输出是集电极开路，所以输出接负载，负载的另一端得接正电源。应用是9脚接地。当输入为0时，输出达林顿管截止，负载无电流。输入为高电平时，输出达林顿管饱和，负载就有电流流入输出口。10脚在驱动感性负载时用的，驱动感性负载时10脚接负载电源+。
如图4所示，所述隔离电路包括电阻R29～R32、电容C1、电容C2、光耦Q1、二极管D2和压敏电阻RV1；所述电阻R29的一端与所述压敏电阻RV1的一端相连接后与所述主控芯片相连接，所述电阻R29的另一端依次通过所述电阻R30、电阻R31与所述光耦Q1相连接；所述电容C1与所述二极管D2相互并联连接后的一端连接在所述电阻R31和所述光耦Q1之间，所述电容C1与所述二极管D2相互并联连接后的另一端与所述所述压敏电阻RV1的另一端连接后接地；所述光耦Q1与主控芯片相连接；所述电阻R32的一端和电容C2的一端均连接在所述光耦Q1与主控芯片的连接端上，所述电阻R32的另一端和电容C2的另一端均接地。
参见图4实现了***强电和干扰信号转化为光信号，再由光信号转化为***可接受的弱电和干净的信号，彻底阻断***因素对主***的影响作用。
如图5所示，所述电源电路包括降压型脉宽控制DC/DC转换器AP1501、电阻R13～R14、电容C3～C4、稳压管D1和电感L1；所述电阻R13～R14、电容C3、稳压管D1和电感L1均与所述降压型脉宽控制DC/DC转换器AP1501相连接，所述电容C4通过所述电感L1与所述降压型脉宽控制DC/DC转换器AP1501相连接。
图5为电源电路的电路图，它能支持宽压输入40VDC～7.5VDC输入，能稳定输出5VDC，能供给主电路正常稳定的工作电源。
如图6所示，所述选址电路包括插接件J1～J4和芯片RP1；所述插接件J1～J4均与所述芯片RP1相连接。
参见图6是选址电路的电路图，它实现在多个开关量模块同时工作时让主监控***识别并区分出不同模块采集信号，支持两个2的4次方(即28个)数目的开关量模块同时正常工作；运行指示电路能实时反应出当前***工作状态，方便***联调及产品生产安装。实现多种相同模块的区分工作，实现扩展和级联协同工作。芯片RP1是贴片排阻，它主要目的是为了防止干扰，增加电路的稳定性。提高总线的抗电磁干扰能力。
如图7所示，所述RS485接口电路包括RS485收发器U2、电阻R16～R19、电容C5～C7；所述电阻R16～R19、电容C5～C7均与所述RS485收发器U2相连接。
参见图7是RS485接口电路，U2为SP485EEN，它将输入的差分信号转换为主控芯片能识别的TTL通讯信号，实现与***设备正常通讯。RS485模块实现MCU的TTL电平通讯信号转化为RS485差分信号，大大延长其传输距离。
如图1所示，本发明的智能一体化电源开关量监控模块，使用的是NUC100系列为32位单片机，内建ARM Cortex-M0内核，用于工业控制及相关需要丰富信号通讯界面的应用场合。实现的功能有：实现40路隔离开关故障检测，合闸开关检测数量可设置，8路继电器输出，一路扩展AD，并通过RS485串行接口将检测的信息传送给主监控，作为主监控管理电源***和处理故障告警的依据。
Cortex-M0为ARM公司最新处理器内核并拥有与传统8位元产品之匹敌的价格。NUC100Cortex-M0内核系列最高可运行至50MHz外部时钟，具有32K/64K/128K字节内建Flash存储器，4K/8K/16K字节内建SRAM。并内建有定时器，看门狗定时器，RTC，PDMA，UART，SPI/SSP，I2C，I 2 S，PWM定时器，GPIO，12位ADC，模拟比较器，低电压检测和节电侦测功能。
核心处理模块由NUC100LC1BN处理器和相关辅助、隔离及驱动组成。电路按照功能可以分为隔离处理模块、驱动模块，下载模块、供电处理模块、WTD模块、地址编码模块、运放跟随模块、RS485通信接口模块。以RS485为通信口，将采集到的数据发送出来，并将接收到的命令驱动继电器控制***设备。电源电路输入为交直流220V，输出为直流24VDC。隔离电路由光电信号转换实现隔离内外电路的干扰。继电器驱动电路由驱动芯片完成弱电信号转变强电信号。所述的WTD模块实时监控主芯片工作状态，如有异常，进行复位处理。选址电路实现多种相同模块的区分工作，实现扩展和级联协同工作。所述的运放跟随模块实现+5V电压转换为0～5V电压，并由AD处理电路实时读取模拟量信号数值。RS485通信接口模块将主控制芯片的TTL通信信号转变为RS485差分信号。
如图2，***电路包括程序下载模块(In-Circuit Programming)(即所述JTAG接口电路)，该模块实现程序下载、烧写与调试功能，它包括+5VDC供电和三个控制引脚ICE-DAT、ICE-CK、ICE-RST三个引脚，实现编程机与目标机交叉编译，DEBUG等等功能。复位电路实现在***上电时输出一个脉冲信号给MCU，并使之复位，避免主程序指针跑飞，使之进入主函数正常入口地址工作。晶振电路提供给主芯片持续的12MHz脉冲信号，内部供电***支持宽压输入40VDC～7.5VDC输入，能稳定输出5VDC，能供给主电路正常稳定的工作电源。选址电路实现在多个开关量模块同时工作时让主监控***识别并区分出不同模块采集信号，支持两个2的4次方(即28个)数目的开关量模块同时正常工作；运行指示电路能实时反应出当前***工作状态，方便***联调及产品生产安装。WTD电路实现***死机时自恢复功能，主***程序每隔一定时间发送特定脉冲信号给WTD，如果主***程序跑飞或异常不能正常工作时，WTD会监测出并让主MCU复归，让***程序自恢复正常工作。继电器驱动电路实现MCU的GPIO的弱灌拉电流，无法正常驱动继电器线圈正常工作，需要通过驱动管增强GPIO的驱动能力，使之正常驱动继电器动作。隔离电路实现***强电干扰和破坏主***弱电***的处理电路，其原理是让***强电信号转化为光信号，再由光信号转为主***弱电信号，彻底隔离了强电对***的影响作用。运放和跟随器实现负压抬高作用，MCU只能采集0～5V模拟量信号，但通过运放和跟随器可以抬高+－5V模拟量电压，转化为MCU可以识别的0～5V信号。RS485模块将输入的差分信号转换为主控芯片能识别的TTL通讯信号，实现与***设备正常通讯。RS485模块实现MCU的TTL电平通讯信号转化为RS485差分信号，大大延长其传输距离。
本发明的智能一体化电源开关量监控模块实现的功能有：(1)提供40路开关故障检测，合闸开关检测数量可设置；(2)提供8路继电器输出，8路均可由用户自己设置输出内容。可负荷1668VA(250VAC10A、100VDC5A)，采用银合金触点技术；(3)通过RS485串行接口将检测的信息传送给主监控，作为主监控管理电源***和处理故障告警的依据；(4)开关量检测输入采用隔离处理后的故障常开接点输入或光耦OC输入；(5)供电电压交直流通用，85～264VAC或120～370VDC。
参见图3实现了弱电驱动继电器线圈的电路，并能通过其相应的LED指示灯方便了解和判断驱动那条线路。方便安装和测试。
参见图4实现了***强电和干扰信号转化为光信号，再由光信号转化为***可接受的弱电和干净的信号，彻底阻断***因素对主***的影响作用。
参见图5为电源供给***实现电路，它能支持宽压输入40VDC～7.5VDC输入，能稳定输出5VDC，能供给主电路正常稳定的工作电源。
参见图6是选址电路的电路图，它实现在多个开关量模块同时工作时让主监控***识别并区分出不同模块采集信号，支持两个2的4次方(即28个)数目的开关量模块同时正常工作。
参见图7实现了主芯片MCU的TTL电平通讯信号转化为RS485差分信号，大大延长其传输距离。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (5)
1.智能一体化电源开关量监控模块，其特征是，包括主控芯片、JTAG接口电路、继电器驱动电路、隔离电路、电源电路、选址电路和RS485接口电路；
所述JTAG接口电路、继电器驱动电路、隔离电路、电源电路、选址电路和RS485接口电路均与所述主控芯片相连接；八路开出继电器通过所述继电器驱动电路与所述主控芯片相连接，由所述主控芯片通过所述继电器驱动电路驱动所述八路开出继电器；40路隔离开关故障检测信号通过隔离电路输入至所述主控芯片；
所述JTAG接口电路，用于使得主控芯片能够在线下载程序并烧写调试；
所述继电器驱动电路，用于使得主控芯片能够驱动继电器线圈。
所述隔离电路，用于接入40路隔离开关故障检测信号，并将隔离开关故障检测信号的***强电和干扰信号转化为光信号，再将光信号转化为主控芯片能够接受的弱电和干净的信号；
所述电源电路，用于为主控芯片提供正常稳定的+5V工作电源；
所述选址电路，用于实现在多个开关量检测模块同时工作时让主控芯片识别并区分出不同开关量检测模块所采集的信号；
所述RS485接口电路，用于将输入的差分信号转换为主控芯片能识别的TTL通讯信号，实现与***设备正常通讯。
2.根据权利要求1所述的智能一体化电源开关量监控模块，其特征是，(如图2所示，)所述JTAG接口电路包括插接件JM1和电阻R1～R5，所述电阻R1～R5均与所述插接件JM1相连接。
3.根据权利要求1所述的智能一体化电源开关量监控模块，其特征是，(如图3所示，)所述继电器驱动电路包括电阻R6～R12、R20～R28、继电器驱动芯片UH5；所述电阻R6～R12、R20～R28均与所述继电器驱动芯片UH5相连接。
4.根据权利要求1所述的智能一体化电源开关量监控模块，其特征是，(如图4所示，)所述隔离电路包括电阻R29～R32、电容C1、电容C2、光耦Q1、二极管D2和压敏电阻RV1；所述电阻R29的一端与所述压敏电阻RV1的一端相连接后与所述主控芯片相连接，所述电阻R29的另一端依次通过所述电阻R30、电阻R31与所述光耦Q1相连接；所述电容C1与所述二极管D2相互并联连接后的一端连接在所述电阻R31和所述光耦Q1之间，所述电容C1与所述二极管D2相互并联连接后的另一端与所述所述压敏电阻RV1的另一端连接后接地；所述光耦Q1与主控芯片相连接；所述电阻R32的一端和电容C2的一端均连接在所述光耦Q1与主控芯片的连接端上，所述电阻R32的另一端和电容C2的另一端均接地。
5.根据权利要求1所述的智能一体化电源开关量监控模块，其特征是，(如图5所示，)所述电源电路包括降压型脉宽控制DC/DC转换器AP1501、电阻R13～R14、电容C3～C4、稳压管D1和电感L1；所述电阻R13～R14、电容C3、稳压管D1和电感L1均与所述降压型脉宽控制DC/DC转换器AP1501相连接，所述电容C4通过所述电感L1与所述降压型脉宽控制DC/DC转换器AP1501相连接。
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