基于超寬帶技術(shù)的控制系統(tǒng)智能電源技術(shù)研究

閆海煜

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院通信工程學(xué)院，重慶401331)

基于超寬帶技術(shù)的控制系統(tǒng)智能電源技術(shù)研究

閆海煜

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院通信工程學(xué)院，重慶401331)

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，電源的可靠性成為控制系統(tǒng)的重要性能保障。對市場上存在的多種開關(guān)電源進(jìn)行了分析，提出了應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的智能電源的設(shè)計方案。該智能電源是一種基于超寬帶通信技術(shù)的遠(yuǎn)程可控系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制中心和智能控制器終端兩部分。系統(tǒng)控制中心通過超寬帶技術(shù)對設(shè)定的智能電源控制器終端進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，智能控制器作為電源運行狀態(tài)采集模塊起到現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制命令執(zhí)行的作用。該智能電源系統(tǒng)具有實時性強(qiáng)、控制效率高的優(yōu)勢。

智能電源；智能監(jiān)控；單片機(jī)；超寬帶

電力電子及通信技術(shù)的發(fā)展為控制技術(shù)的成熟提供了基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代以來的控制系統(tǒng)是模擬控制系統(tǒng)，具有控制規(guī)模小、實時性不強(qiáng)的劣勢。隨著工業(yè)規(guī)模的發(fā)展以及生產(chǎn)力水平的提高，現(xiàn)代控制系統(tǒng)大多采用高精尖的數(shù)字化設(shè)備，需要具有高的可靠性、好的開放性和互操作性，這給控制系統(tǒng)提出了更高的要求。為了提高系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)前的控制系統(tǒng)對電源的工作狀態(tài)的要求也越來越高，為了滿足這一要求，本課題研究了基于智能控制的電源系統(tǒng)，為控制系統(tǒng)的可靠運行奠定良好的基礎(chǔ)。

1 開關(guān)電源現(xiàn)狀分析

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間占比，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源具有體積小、質(zhì)量輕、輸入電壓范圍寬、功率密度/轉(zhuǎn)換效率高、待機(jī)功耗小等眾多優(yōu)點，已經(jīng)取代線性工頻電源，在電子、電氣設(shè)備、家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制 (PWM)、IC和MOSFET構(gòu)成[1]。高頻化技術(shù)可使中小型開關(guān)電源的工作頻率達(dá)到400 kHz；同時軟開關(guān)與專用控制芯片技術(shù)的成熟，不僅進(jìn)一步提高了電源的工作效率，也使電源電路進(jìn)一步簡化，使得開關(guān)電源在高新技術(shù)領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

開關(guān)電源器件主要包括了眾多半導(dǎo)體元件，例如電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇等。復(fù)雜的電路帶來了相應(yīng)的可靠性問題，同時開關(guān)電源可控性也不盡如人意，因此，加強(qiáng)開關(guān)電源的智能化控制功能，提高工作的穩(wěn)定性和可靠性，是開關(guān)電源發(fā)展的必經(jīng)之路。

2 智能電源系統(tǒng)分析

對開關(guān)電源實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、自動化管理是現(xiàn)代開關(guān)電源的發(fā)展方向，而智能開關(guān)就是實現(xiàn)這一目標(biāo)的必要手段。

智能電源是一種可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的智能化開關(guān)控制裝置，主要功能是通過嵌入式系統(tǒng)對開關(guān)電源的運行狀態(tài)進(jìn)行檢測，通過通信網(wǎng)絡(luò)對電源實現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控和管理。

圖1所示是智能電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu)。底層為數(shù)據(jù)采集層，由于電源節(jié)點分散且數(shù)量眾多，經(jīng)常處于變動之中，所以底層采集層采用無線傳輸技術(shù)，并采用單片機(jī)作為底層數(shù)據(jù)處理中心。中間層為數(shù)據(jù)通信層，通信方式采用超寬帶技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實時性。上層為系統(tǒng)的控制中心，完成開關(guān)電源節(jié)點運行狀態(tài)的顯示、查詢、終端控制等功能。

圖1 智能電源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 控制芯片選型及工作方式分析

電源監(jiān)控的數(shù)據(jù)量相對穩(wěn)定，實時性要求較高，本設(shè)計選用8051系列的單片機(jī)STC89C52RC來完成各節(jié)點數(shù)據(jù)的采集和處理工作。宏晶科技出品的STC89C52RC具有超低功耗、超強(qiáng)抗干擾能力和加密性強(qiáng)的基本特性，同時技術(shù)成熟、工作穩(wěn)定性高、成本低，是小型監(jiān)控系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。

STC89C52RC的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 STC89C52RC結(jié)構(gòu)

開關(guān)電源的運行采集數(shù)據(jù)是通過STC89C52RC的I/O口傳送入單片機(jī)，并通過安裝在單片機(jī)的通信模塊發(fā)送出去。在本設(shè)計中，每次傳輸數(shù)據(jù)的定時時間選用10 ms，主頻頻率為12 MHz，每10 ms向主機(jī)請求處理一次，定時工作方式為1，設(shè)置GATE為1，匯編初始化程序為：

INTT0：MOV TMOD,#09H ;設(shè)T0為定時方式1，GATE為1

MOV TL0,#00H ;TL0清零

MOV TH0,#00H ;TH0清零

SETB TR0 ;啟動T0開始計數(shù)

CLR TR0 ;停止T0計數(shù)

MOV A,TL0 ;低字節(jié)計數(shù)值送A

MOV B,TH0 ;低字節(jié)計數(shù)值送B

: ;計算脈寬和處理

:

4 通信模塊分析

超寬帶無線通信技術(shù)(UWB)是一種無載波通信技術(shù)，使用具有納秒或次秒級以下的極窄脈沖來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而使其具有1 GHz以上的帶寬，因此，雖然UWB屬于無線通信，但通信速率可以達(dá)到每秒幾百兆比特以上。

美國FCC對UWB的定義為：(fH-fL)fC＞20%，或者總帶寬不小于500 MHz。式中：fH和fL分別為功率較峰值功率下降10 dB時所對應(yīng)的高端頻率和低端頻率；fC為載波頻率或中心頻率[2]。

按照FCC的規(guī)定：UWB的工作帶寬范圍為 3.1～10.6 GHz，所以UWB與其他通信技術(shù)之間存在著同頻和鄰頻的干擾。為了降低UWB對其他無線通信的影響，就必須對UWB設(shè)備的發(fā)射功能進(jìn)行限制，這也就限制了UWB技術(shù)的傳輸距離。UWB信號的有效傳輸在10 m以內(nèi)，所以超寬帶技術(shù)本質(zhì)上屬于短距離通信方式。

超寬帶通信技術(shù)以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點成為短距離無線通信極具競爭為和發(fā)展前景的技術(shù)之一。本設(shè)計采用超寬帶通信技術(shù)構(gòu)建電源參數(shù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信體系，在各監(jiān)測點及單片機(jī)的接受端植入UWB通信模塊，從而實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)采集與通信，具體過程如圖3所示。

圖3 超寬帶電源數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖

4 總結(jié)

本設(shè)計利用開關(guān)電源構(gòu)建了應(yīng)用于控制系統(tǒng)的智能電源。該智能電源系統(tǒng)具有“遙感、遙測、遙控”等三項功能。這些功能的實現(xiàn)依靠三層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)：處于底層的是數(shù)據(jù)采集層，處于中間的是數(shù)據(jù)通信層，上層為系統(tǒng)的控制中心。底層的數(shù)據(jù)通信采用超寬帶技術(shù)，有效地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和及時性，而底層的嵌入式單片機(jī)為電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控打下了良好的處理基礎(chǔ)。

[1]徐罡.電源監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2006：177-179.

[2]屈軍鎖.物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2010：135-138.

Intelligent power technology of control system based on UWB technology

YAN Hai-yu
(Department of Communication Engineering,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

With the development of control technology, the reliability of power supply has become an important safeguard for control system.A variety of switching power supplies on the market were analyzed,and the intelligent power applied in remote control system was designed.The intelligent power is a remote controlled system based on UWB technology.It consists of two parts of the remote control center and intelligent control terminals.The system control center conducts remote management for intelligent power controller terminal via ultra-wideband technology. As the collection module of the power running state,the intelligent controller acts as the role of field data acquisition and control command execution.The intelligent power system has the advantages of good real-time and high control efficiency.

intelligent power;intelligent control;singlechip;UWB technology

TM 769

A

1002-087 X(2015)08-1762-02

2015-05-29

作者介紹：閆海煜(1981—)，男，陜西省人，碩士，講師，主要研究方向為電子技術(shù)、通信技術(shù)。