CN216356090U - 一种安防设备智能双备份电源*** - Google Patents

一种安防设备智能双备份电源*** Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种安防设备智能双备份电源***，包括：嵌入式处理器主电路、电源切换控制电路、电源输出分配矩阵电路。其中嵌入式处理器主电路主要包括：嵌入式处理器、数据存储电路、信号采集电路、网络通讯电路、串口通讯电路、触摸屏LCD；电源切换控制电路主要包括主电源、备用电源、控制信号a、控制信号b、控制电路1、控制电路2、控制电路3、控制电路4、负载电流检测；电源输出分配矩阵电路主要包括32路功率继电器及其控制电路。选择双备份电源工作在不同的电源备份模式，可以满足不同领域的用户需求。

Description

一种安防设备智能双备份电源***
技术领域
本实用新型涉及双备份电源领域，尤其涉及一种安防监控设备的智能双备份电源电路***。
背景技术
安防设备的供电需要可靠的电源装置，以避免供电故障导致安防设备不能正常工作，致使监控中断，重要数据和视频丢失而产生的一系列严重后果；目前国内安防设备的双备份电源供电装置内含主电源和备用电源，备份供电模式有热备份和冷备份。热备份供电模式能够保证主、备电源无缝切换，适用于银行等重要的安全监控场所，缺点是：在主电源正常供电情况下，备用电源也处于开机状态，很大程度上由于元器件长时间工作老化缩短了备用电源的使用寿命。冷备份供电模式下，***正常工作时由主电源为安防设备供电，当主电源发生故障时，供电装置自动切换到备用电源，由于备用电源是一个容性负载，从备用电源启动到正常供电输出，会有100～200ms的滞后时间，从而导致被供电的监控设备因电源掉电而复位重启，监控设备重启后会有1～2秒的初始化启动时间，进而导致监控设备在重启时间内数据、视频丢失，更为严重的是监控设备在此段时间内完全处于监控失效状态，对于安全级别要求较高的应用场所，短时间的监控中断会造成严重后果。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种安防设备智能双备份电源电路***。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：
一种安防设备智能双备份电源***，包括：嵌入式处理器主电路、电源切换控制电路和电源输出分配矩阵电路。嵌入式处理器主电路的控制信号a和控制信号b连接到电源切换控制电路，实现对电源切换控制电路的控制，使电源切换电路工作在不同的电源切换状态；电源切换电路将主、备电源的输出电压信号、负载电流信号连接到嵌入式处理器主电路的模拟量信号采集通道实现信号采集；电源切换电路将切换后得到的电源连接到电源输出分配矩阵，嵌入式处理器主电路的数据总线和控制线连接到电源输出分配矩阵，实现对电源输出分配矩阵的输出控制，同时电源输出分配矩阵将各路输出电源状态通过数据总线反馈到嵌入式处理器主电路；进而实现对双备份电源的控制。
所述的双备份电源含有主电源、备用电源、控制电路板以及液晶显示器构成，通过安防设备智能双备份电源***控制，能够实现主备电源热备份、冷备份、工作时间均等切换备份、输出电量均等切换备份、参数自适应模糊切换备份以及电源温度切换备份，且能够实现主备电源无缝切换，保证监控设备不会因为电故障而出现监控中断。
所述的嵌入式处理器主电路包括：ARM嵌入式处理器、数据存储电路、信号采集电路、网络通讯电路、串口通讯电路、触摸屏LCD；数据存储电路、信号采集电路、网络通讯电路、串口通讯电路、触摸屏LCD均与ARM嵌入式处理器连接。
所述的信号采集电路利用ARM嵌入式处理器的A/D外设接口和I2C接口，采集双备份电源的电压、电流、温度等信息，其中温度信息采集电路使用数字温度传感器U15，数字温度传感器U15的引脚SDA、SCL、OS通过上拉电阻R76、R75、R74与3.3V电源相连，同时SDA连接到ARM嵌入式处理器的I2C总线通信引脚PB11，SCL连接到ARM嵌入式处理器的I2C总线通信引脚PB10，超温中断输出引脚OS连接到ARM嵌入式处理器的PC3引脚，温度阈值可由处理器编程设定；
所述的网络通讯电路设有3个以太网接口，支持UDP、TCP CLIENT、TCP SERVER通讯服务，网络通讯电路分别连接ARM嵌入式处理器的PC7、PC6、PB15、PB14、PB13、PB12引脚；
所述的串口通讯电路提供RS232、RS485通讯接口，可和其它外设模块连接，串口通讯电路分别连接ARM嵌入式处理器的PA10、PA9、PD2、PC12、PC11、PC10引脚；
所述的触摸屏LCD用于显示***的网络参数、端口状态、***参数、故障状态等信息。
电源切换电路包括主电源、备用电源、控制电路1、控制电路2、控制电路3、控制电路4、负载电流检测电路；控制电路1的输入端接入嵌入式处理器主电路的控制信号b，控制电路1串联接入到主电源的输入回路，用于控制主电源输入端的接通或断开，控制电路3的输入端接入嵌入式处理器主电路的控制信号a，控制电路3串联接入到主电源的输出回路，用于控制主电源输出端的接通或断开。同样的，控制电路2的输入端接入嵌入式处理器主电路的控制信号a，控制电路2串联接入到备用电源的输入回路，用于控制备用电源输入端的接通或断开，控制电路4的输入端接入嵌入式处理器主电路的控制信号b，控制电路4串联接入到备用电源的输出回路，用于控制备用电源输出端的接通或断开。
所述的主电源和备用电源正常工作状态下分别输出+12V_AA1和+12V_BB1，为了防止电源并联产生环流，将主电源和备用电源的输出端分别接入二极管D3和二极管D1，得到+12V_A1和+12V_B1；主电源输出的+12V_AA1经R7、R13分压，经限流电阻R11接入嵌入式处理器的AD采集通道POW_A1_V，即PA2引脚，经AD转换得到主电源电压值，处理器根据该电压值判断主电源电压是否正常；同样的备用电源+12V_BB1经R8、R14分压，经限流电阻R12接入嵌入式处理器的AD采集通道POW_B1_V，即处理器的PA3引脚，经AD转换得到备用电源电压值，处理器根据该电压值判断备用电源电压是否正常；
所述的控制信号a(CTRL_MPA1)和控制信号b(CTRL_BPB1)由ARM嵌入式处理器的GPIO输出引脚PB9和PB8控制，CTRL_MPA1经U3驱动，得到继电器驱动信号ON_OFF_A1和ON_OFF_JCA1。当CTRL_MPA1输出低电平时，ON_OFF_A1和ON_OFF_JCA1输出高电平，继电器K1、K2断开，常闭触点接通，常开触点断开；当CTRL_MPA1输出高电平时，ON_OFF_A1和ON_OFF_JCA1输出低电平，继电器K1、K2接通，常闭触点断开，常开触点接通。CTRL_BPB1经U3驱动，得到继电器驱动信号ON_OFF_B1和ON_OFF_JCB1；当CTRL_BPB1输出低电平时，ON_OFF_B1和ON_OFF_JCB1输出高电平，继电器K4、K5断开，常闭触点接通，常开触点断开；当CTRL_BPB1输出高电平时，ON_OFF_B1和ON_OFF_JCB1输出低电平，继电器K4、K5接通，常闭触点断开，常开触点接通。由于CTRL_MPA1控制主电源的输出和备用电源的交流输入，CTRL_BPB1控制备用电源的输出和主电源的交流输入，所以双电源备份有以下四种状态：
Figure BDA0003343288110000041
所述的控制电路1为继电器K1的控制电路，K1的常闭触点控制备用电源交流输入端的通断；
所述的控制电路2为继电器K4的控制电路，K4的常闭触点控制主电源交流输入端的通断；
所述的控制电路3为继电器K2的控制电路，K2的常闭触点控制备用电源是否接入，常开触点控制主电源是否接入；
所述的控制电路4为继电器K5的控制电路，K5的常闭触点控制主电源是否接入，常开触点控制备用电源是否接入；
所述的负载电流检测模块用来检测电源+12V_LOAD1的负载电流，R3和R5并联，为负载电流检测电阻，PWR_SRC1作为电流检测芯片U1的RS+输入，同时为该芯片供电，接入VCC引脚，得到的电压输出信号OUT经R1和C3滤波后得到LOAD1_I，送处理器的AD转换接口PA0采样，经计算处理得到负载电流值。
所述的电源输出分配矩阵由32路功率继电器及其控制电路构成，该控制电路主要由4组八位数据锁存器和继电器驱动芯片构成。U19和U24为其中1组，其余3组具有相同的电路结构；嵌入式处理器的8根GPIO引脚接到锁存器U19的输入端，锁存器的输出接到继电器驱动芯片U24的输入，经U24驱动后控制继电器的通断。锁存器的每个输入引脚接4.7K上拉电阻，每个输出引脚接10K上拉电阻，使得在处理器失控情况下也能保证负载电源都有输出，而不会导致监控设备掉电中断。通过电源输出分配矩阵，处理器可以控制每一路负载的通断，实现远程智能化网络控制。
本实用新型提供的一种安防设备智能双备份电源，可实现双电源热备份，双电源冷备份，双电源交替周期可设定的交替备份，且不管选择哪种备份模式，当任一电源发生故障时主、备电源都能实现无缝切换；即便在处理器复位、死机情况下也能保持复位、死机前的电源输出状态，保证各路负载设备的正常供电，避免监控设备掉电而出现监控中断。
附图说明
图1为本实用新型一种安防设备智能双备份电源的结构框图；
图2、图3、图4为本实用新型一种安防设备智能双备份电源的电路原理图；其中图2嵌入式处理器主电路，图3为电源切换控制电路，图4为电源输出分配矩阵电路。
具体实施方式
本实用新型提出的一种安防设备智能双备份电源，包括：ARM嵌入式处理器、主电源、备用电源、控制电路1、控制电路2、控制电路3、控制电路4、负载电流检测电路、电源输出分配矩阵、数据存储电路、信号采集电路、网络通讯电路、串口通讯电路、触摸屏LCD。
本实施方案中，主电源和备用电源采用大功率开关电源，每个电源额定输出功率为450W。通过控制电路1和控制电路2实现主电源和备用电源的输入端与220V交流电源相连接，处理器可通过控制电路1和控制电路2实现主电源和备用电源输入端的接通和断开，从而控制主电源和备用电源开机或者关机。
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述：
一种安防设备智能双备份电源，该电源的电路包括处理器主电路、电源切换控制电路、电源输出分配矩阵电路。
所述的处理器主电路包括嵌入式处理器、数据存储电路、信号采集电路、网络通讯电路、串口通讯电路、触摸屏LCD；
本实施方案中，所述的ARM嵌入式处理器采用
STM32F103RCT6，但本发明并不限于使用STM32F103RCT6；
本实施方案中，负载电流检测电路采用MAX4080电流检测芯片，可以实时检测负载电流，并通过信号采集电路将负载电流采集到处理器中，为电源负载实时功率计算提供数据；
本实施方案中，所述的信号采集电路利用ARM嵌入式处理器的A/D外设接口和I2C接口，采集双备份电源的电压、电流、温度等信息，其中温度信息采集电路使用数字温度传感器U15，U15的引脚SDA、SCL、OS通过上拉电阻R76、R75、R74与3.3V电源相连，同时SDA连接到嵌入式处理器的I2C总线通信引脚PB11，SCL连接到嵌入式处理器的I2C总线通信引脚PB10，超温中断输出引脚OS连接到嵌入式处理器的PC3引脚，该温度可由处理器编程设定；
本实施方案中，所述的网络通讯电路提供3个以太网接口，支持UDP、TCP CLIENT、TCP SERVER通讯服务，网络通讯电路分别连接嵌入式处理器的PC7、PC6、PB15、PB14、PB13、PB12引脚；
本实施方案中，所述的串口通讯电路提供RS232、RS485通讯接口，可和其它外设模块连接，串口通讯电路分别连接嵌入式处理器的PA10、PA9、PD2、PC12、PC11、PC10引脚；
本实施方案中，所述的触屏LCD用于显示***的网络参数、端口状态、***参数、故障状态等信息。
电源切换电路包括主电源、备用电源、控制信号a、控制信号b、控制电路1、控制电路2、控制电路3、控制电路4、负载电流检测；
本实施方案中，所述的主电源和备用电源正常工作状态下分别输出+12V_AA1和+12V_BB1,为了防止电源并联产生环流，将主电源和备用电源的输出端分别接上二极管D3和二极管D1，得到+12V_A1和+12V_B1；主电源输出的+12V_AA1经R7、R13分压，经限流电阻R11接入嵌入式处理器的AD采集通道POW_A1_V，即PA2引脚，经AD转换得到主电源电压值，处理器根据该电压值判断主电源电压是否正常；同样的备用电源+12V_BB1经R8、R14分压，经限流电阻R12接入嵌入式处理器的AD采集通道POW_B1_V，即处理器的PA3引脚，经AD转换得到备用电源电压值，处理器根据该电压值判断备用电源电压是否正常；
本实施方案中，所述的控制信号a(CTRL_MPA1)和控制信号b(CTRL_BPB1)由ARM嵌入式处理器的GPIO输出引脚PB9和PB8控制，CTRL_MPA1经U3驱动，得到继电器驱动信号ON_OFF_A1和ON_OFF_JCA1。当CTRL_MPA1输出低电平时，ON_OFF_A1和ON_OFF_JCA1输出高电平，继电器K1、K2断开，常闭触点接通，常开触点断开；当CTRL_MPA1输出高电平时，ON_OFF_A1和ON_OFF_JCA1输出低电平，继电器K1、K2接通，常闭触点断开，常开触点接通。CTRL_BPB1经U3驱动，得到继电器驱动信号ON_OFF_B1和ON_OFF_JCB1；当CTRL_BPB1输出低电平时，ON_OFF_B1和ON_OFF_JCB1输出高电平，继电器K4、K5断开，常闭触点接通，常开触点断开；当CTRL_BPB1输出高电平时，ON_OFF_B1和ON_OFF_JCB1输出低电平，继电器K4、K5接通，常闭触点断开，常开触点接通。由于CTRL_MPA1控制主电源的输出和备用电源的交流输入，CTRL_BPB1控制备用电源的输出和主电源的交流输入，所以双电源备份有以下四种状态：
Figure BDA0003343288110000081
本实施方案中，ARM嵌入式处理器通过GPIO引脚CTRL_MPA1、CTRL_BPB1驱动控制信号a和控制信号b，有4种逻辑状态：
(1)当控制引脚CTRL_MPA1为低电平，CTRL_BPB1为低电平，此时主电源的输入、输出端接通，备用电源的输入、输出端接通。该状态下主电源和备用电源同时供电，处于热备份供电状态；
(2)当控制引脚CTRL_MPA1为低电平，CTRL_BPB1为高电平，此时主电源的输入、输出端断开，备用电源的输入、输出端接通。该状态下备用电源供电，主电源处于关机备份状态；
(3)当控制引脚CTRL_MPA1为高电平，CTRL_BPB1为低电平，此时主电源的输入、输出端导通，备用电源的输入、输出端断开。该状态下主电源供电，备用电源处于关机备份状态；
(4)当控制引脚CTRL_MPA1为高电平，CTRL_BPB1为高电平，由于主电源和备用电源的输入输出控制互锁，导致电源的输出状态失控不确定，此状态为***禁止状态。ARM嵌入式控制器在开机复位后，在初始化程序中需要对控制信号CTRL_MPA1和控制信号CTRL_BPB1进行初始化，禁止***进入该状态；
除第4种状态在初始化代码中被禁止以外，智能双备份电源供电装置可以工作在其余3种状态中的任一种状态或者其组合状态，从而实现不同的电源备份供电模式。
所述的控制电路1为继电器K1的控制电路，K1的常闭触点控制备用电源交流输入端的通断；
所述的控制电路2为继电器K4的控制电路，K4的常闭触点控制主电源交流输入端的通断；
所述的控制电路3为继电器K2的控制电路，K2的常闭触点控制备用电源是否接入，常开触点控制主电源是否接入；
所述的控制电路4为继电器K5的控制电路，K5的常闭触点控制主电源是否接入，常开触点控制备用电源是否接入；
本实施方案中，所述的负载电流检测模块用来检测电源+12V_LOAD1的负载电流，R3和R5并联，为负载电流检测电阻，PWR_SRC1作为电流检测芯片U1的RS+输入，同时为该芯片供电，接入VCC引脚，得到的电压输出信号OUT经R1和C3滤波后得到LOAD1_I，送处理器的AD转换接口PA0采样，经计算处理得到负载电流值。
本实施方式中，所述的电源输出分配矩阵由32路功率继电器及其控制电路构成，该控制电路主要由4组八位数据锁存器和继电器驱动芯片构成。U19和U24为其中1组，其余3组具有相同的电路结构；嵌入式处理器的8根GPIO引脚接到锁存器U19的输入端，锁存器的输出接到继电器驱动芯片U24的输入，经U24驱动后控制继电器的通断。锁存器的每个输入引脚接4.7K上拉电阻，每个输出引脚接10K上拉电阻，使得在处理器失控情况下也能保证负载电源都有输出，而不会导致监控设备掉电中断。通过电源输出分配矩阵，处理器可以控制每一路负载的通断，实现远程智能化网络控制。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应该涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种安防设备智能双备份电源***，其特征在于：包括：嵌入式处理器主电路、电源切换控制电路和电源输出分配矩阵电路；嵌入式处理器主电路的控制信号a和控制信号b连接到电源切换控制电路，实现对电源切换控制电路的控制，使电源切换电路工作在不同的电源切换状态；电源切换电路将主、备电源的输出电压信号、负载电流信号连接到嵌入式处理器主电路的模拟量信号采集通道实现信号采集；电源切换电路将切换后得到的电源连接到电源输出分配矩阵，嵌入式处理器主电路的数据总线和控制线连接到电源输出分配矩阵，实现对电源输出分配矩阵的输出控制，同时电源输出分配矩阵将各路输出电源状态通过数据总线反馈到嵌入式处理器主电路；进而实现对双备份电源的控制。
2.根据权利要求1所述的一种安防设备智能双备份电源***，其特征在于：所述的嵌入式处理器主电路包括：ARM嵌入式处理器、数据存储电路、信号采集电路、网络通讯电路、串口通讯电路、触摸屏LCD；数据存储电路、信号采集电路、网络通讯电路、串口通讯电路、触摸屏LCD均与ARM嵌入式处理器连接。
3.根据权利要求2所述的一种安防设备智能双备份电源***，其特征在于：所述的信号采集电路利用ARM嵌入式处理器的A/D外设接口和I2C接口，采集双备份电源的电压、电流、温度。
4.根据权利要求2所述的一种安防设备智能双备份电源***，其特征在于：所述的网络通讯电路设有3个以太网接口。
5.根据权利要求2所述的一种安防设备智能双备份电源***，其特征在于：所述的串口通讯电路提供RS232、RS485通讯接口。
6.根据权利要求2所述的一种安防设备智能双备份电源***，其特征在于：电源切换电路包括主电源、备用电源、控制电路1、控制电路2、控制电路3、控制电路4、负载电流检测电路；控制电路1的输入端接入ARM嵌入式处理器主电路的控制信号b，控制电路1串联接入到主电源的输入回路，用于控制主电源输入端的接通或断开，控制电路3的输入端接入ARM嵌入式处理器主电路的控制信号a，控制电路3串联接入到主电源的输出回路，用于控制主电源输出端的接通或断开；控制电路2的输入端接入ARM嵌入式处理器主电路的控制信号a，控制电路2串联接入到备用电源的输入回路，用于控制备用电源输入端的接通或断开，控制电路4的输入端接入ARM嵌入式处理器主电路的控制信号b，控制电路4串联接入到备用电源的输出回路，用于控制备用电源输出端的接通或断开。
7.根据权利要求6所述的一种安防设备智能双备份电源***，其特征在于：所述的主电源和备用电源正常工作状态下分别输出+12V_AA1和+12V_BB1，为主电源和备用电源的输出端分别接入二极管D3和二极管D1，得到+12V_A1和+12V_B1；主电源输出的+12V_AA1经R7、R13分压，经限流电阻R11接入ARM嵌入式处理器的AD采集通道POW_A1_V，即PA2引脚，经AD转换得到主电源电压值。
8.根据权利要求2所述的一种安防设备智能双备份电源***，其特征在于：所述的控制信号a和控制信号b由ARM嵌入式处理器的GPIO输出引脚PB9和PB8控制，CTRL_MPA1经U3驱动，得到继电器驱动信号ON_OFF_A1和ON_OFF_JCA1；当CTRL_MPA1输出低电平时，ON_OFF_A1和ON_OFF_JCA1输出高电平，继电器K1、K2断开，常闭触点接通，常开触点断开；当CTRL_MPA1输出高电平时，ON_OFF_A1和ON_OFF_JCA1输出低电平，继电器K1、K2接通，常闭触点断开，常开触点接通；CTRL_BPB1经U3驱动，得到继电器驱动信号ON_OFF_B1和ON_OFF_JCB1；当CTRL_BPB1输出低电平时，ON_OFF_B1和ON_OFF_JCB1输出高电平，继电器K4、K5断开，常闭触点接通，常开触点断开；当CTRL_BPB1输出高电平时，ON_OFF_B1和ON_OFF_JCB1输出低电平，继电器K4、K5接通，常闭触点断开，常开触点接通；由于CTRL_MPA1控制主电源的输出和备用电源的交流输入，CTRL_BPB1控制备用电源的输出和主电源的交流输入。
9.根据权利要求8所述的一种安防设备智能双备份电源***，其特征在于：所述的控制电路1为继电器K1的控制电路，K1的常闭触点控制备用电源交流输入端的通断；
所述的控制电路2为继电器K4的控制电路，K4的常闭触点控制主电源交流输入端的通断；
所述的控制电路3为继电器K2的控制电路，K2的常闭触点控制备用电源是否接入，常开触点控制主电源是否接入；
所述的控制电路4为继电器K5的控制电路，K5的常闭触点控制主电源是否接入，常开触点控制备用电源是否接入。
10.根据权利要求6所述的一种安防设备智能双备份电源***，其特征在于：所述的负载电流检测电路用来检测电源+12V_LOAD1的负载电流，R3和R5并联为负载电流检测电阻，PWR_SRC1作为电流检测芯片U1的RS+输入，接入VCC引脚，得到的电压输出信号OUT经R1和C3滤波后得到LOAD1_I，送ARM嵌入式处理器的AD转换接口PA0采样；所述的电源输出分配矩阵由32路功率继电器及控制电路构成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114779694A (zh) * 2022-04-20 2022-07-22 杭州瑞利海洋装备有限公司 一种大型浮标的双备份数据采集控制电路及控制方法

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