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    前言

    本電源智能控制系統(tǒng)用于鐵路信號機兩路供電電源電壓，電流的實時測量記錄。能自動按規(guī)定技術指標投入電源電壓質(zhì)量較好的一路。當兩路輸入電源電壓都不符合要求時，輸出電壓在延時10秒后會自動切斷，當再有一路或兩路輸入電壓符合要求時，可自動投入較好的一路。由于本系統(tǒng)是用于鐵路現(xiàn)場的測量儀器，因此必須具有較高的測量精度，高度智能化，適應現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，較大的數(shù)據(jù)記錄存儲空間，方便快捷的查詢打印模式，較強的擴展功能。

    1  硬件組成及特點

    硬件原理如圖1所示：

    圖1  硬件原理圖

    1.1  測量部分

    本控制器的電壓，電流測量部分采用美國CRYSTAL公司的專用電量測量芯片CS5460A，CS5460A是高度集成的ΔΣ模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），它將兩個ΔΣADC，高速能量計算功能和一個串行接口集成在一個單芯片上,它用于精確測量和計算VRMS和IRMS值。CS5460A與低成本變壓器及電阻分壓器相連來測量電壓，與電流互感器及電阻分壓器相連來測量電流。 CS5460A 的特性是有與微控制器通訊的雙向串口，加電后芯片被初始化可自動實時測量電壓、電流有效值。同時還包括一個可編程增益放大器，ΔΣ調(diào)制器，高速濾波器，系統(tǒng)校準功能。高通濾波器可以在計算前將輸入信號的直流分量過濾掉。高速濾波器用作一個固定的sinc2濾波器，并由一個短FIR補償。為了方便CS5460與微控制器之間通訊，該轉(zhuǎn)換器包括一個與SPITM和MicrowireTM兼容的簡單3線串口。串口內(nèi)部有一個施密特觸發(fā)器，允許慢上升沿的時鐘信號。

    1.2 主控CPU

    本控制器的主控CPU采用美國Microchip公司的PIC系列單片機PIC16C65B，PIC系列單片機是采用精簡指令集計算機（RISC）結(jié)構(gòu)的高性能價格比的嵌入式控制器。其高速度、寬工作電壓、低功耗、較大的輸入、輸出驅(qū)動能力、一次性編程（OTP）芯片的低價位，體現(xiàn)了最新微控制器的諸多特點，同時也非常適合本系統(tǒng)的設計要求。

    1.3 數(shù)據(jù)記錄存儲

    對于故障數(shù)據(jù)的記錄和存儲,本系統(tǒng)采用美國ATMEL公司的大容量串行EEPROM AT24C256,它采用2線串行接口(I2C),低功耗CMOS技術,具有較寬的電壓和溫度范圍,整個存儲器具有硬件寫保護,1000000次的擦/寫周期,數(shù)據(jù)保存40年以上，每個管腳的ESD保護都大于4000V，存儲容量為256K（32768*8），在本系統(tǒng)中可以實時記錄3270條故障記錄。采用循環(huán)滾動刷新方式，確保存儲最近的3270條故障記錄。

    對于數(shù)據(jù)的可靠性方面，考慮到現(xiàn)場可能的惡劣環(huán)境，為防止存儲數(shù)據(jù)被錯誤改寫，只有在數(shù)據(jù)記錄時才給存儲器供電，并且采用校驗的讀寫方式確保數(shù)據(jù)可靠記錄，其他時間切斷存儲切斷存儲器電源，確保記錄數(shù)據(jù)處于安全狀態(tài)。

    1.4 實時時鐘

    系統(tǒng)記錄故障數(shù)據(jù)的標尺為時間，所以高可靠的實時時鐘也是數(shù)據(jù)記錄的關鍵技術，本系統(tǒng)采用PHILIPS公司推出的一種低功耗時鐘/日歷芯片-PCF8563，它也是采用2線串行接口(I2C)，內(nèi)部包括了上電復位電路、振蕩與分頻電路。具有記時、日歷、定時、鬧鐘、中斷輸出和可編程時鐘輸出等功能。它的數(shù)據(jù)保持、時鐘工作的電壓為1～5.5V，與同類器件相比，PCF8563休眠電流典型值為0.25微安（3V電池）。而其它器件最小為1微安，對本系統(tǒng)時鐘的電池更為有利。比同類器件更靈活的可選時鐘輸出可以非常方便的校準時鐘。另外PCF8563內(nèi)部集成有電壓低檢測器，并在秒寄存器的最高位做出指示，通過檢測該位可知數(shù)據(jù)是否可靠，從而提醒及時更換電池和校準時鐘。

    1.5 供電電源的切換單元

    系統(tǒng)實時檢測兩路供電電壓，當需要切換時，啟動切換電路，切換電路采用軟硬件結(jié)合的方式，確保電路在帶載的情況下可靠的切換。硬件上采用互鎖邏輯電路，確保在任意時間只有一路導通，避免了兩路電源的貫穿短路。  

    1.6 鍵盤及顯示

    系統(tǒng)實時和記錄數(shù)據(jù)的顯示和切換由鍵盤及顯示電路完成，采用不同的顯示方式加以區(qū)別，使各種數(shù)據(jù)一目了然。同時還可以方便的通過鍵盤查詢故障數(shù)據(jù)和設置系統(tǒng)的時鐘。

    1.7 打印接口

    系統(tǒng)記錄的故障數(shù)據(jù)可以通過鍵盤查詢，同時還可以采用微型打印機打印輸出。打印時可以通過鍵盤設置起始和終了記錄，系統(tǒng)自動判別其時間順序，按事件發(fā)生時間打印故障數(shù)據(jù)及故障發(fā)生的時刻。同時標明故障時刻的供電情況。

    1.8 供電電源

    系統(tǒng)高可靠性的電源是系統(tǒng)成敗的關鍵，本系統(tǒng)的電源要在只有一路滿足最低工作電壓和兩路接近最高極限電壓時，為系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)、可靠的供電電源。系統(tǒng)采用分級多段的供電方式，較好的解決了寬范圍的電源方案。

    1.9 系統(tǒng)擴展

    系統(tǒng)為將來的擴展預留充分的接口。故障數(shù)據(jù)的輸出在顯示查詢、打印的基礎上，增加專用IC卡存儲，可將故障數(shù)據(jù)提到PC機上通過專用軟件直觀的分析故障數(shù)據(jù)，繪制打印故障曲線和故障記錄。

    2  軟件組成及特點

    系統(tǒng)的軟件是在硬件設計的基礎上，可靠、高效的完成各種系統(tǒng)功能，同時還在智能控制及良好的人機接口上采取了多項措施。

    2.1 記錄數(shù)據(jù)的智能化管理

    記錄的故障數(shù)據(jù)須可靠的按時間順序記錄，同時采用循環(huán)遞推的方式，準確記錄最后的3270條記錄，在查詢和打印時能夠快速、準確。

    2.2 合理的切換邏輯

    由于兩路電源空載負載的情況不同，在切換前后兩路電壓都會根據(jù)帶載情況的不同，發(fā)生不同程度的波動，在考慮電壓變化極限的情況下，系統(tǒng)電源切換采用滯環(huán)邏輯控制，考慮電壓變化的情況下，確保每次切換后供電電源質(zhì)量更優(yōu)，有效的防止了系統(tǒng)切換振蕩。

    2.3 有效數(shù)據(jù)冗余

    對于數(shù)據(jù)的測量，在確保硬件可靠的基礎上，軟件上同時采取實時刷新測量數(shù)據(jù)、智能剔除粗大誤差，快速判斷電壓變換趨勢等方法，保證及時切換供電電源。在記錄數(shù)據(jù)采用特征標識碼及數(shù)據(jù)和校驗相結(jié)合的方法，保證記錄數(shù)據(jù)的可靠和真實。

    3  性能指標

    本機工作電壓: 額定電壓  220V   50Hz

    極限范圍：140～300V(-80V～+80V)

    測量電壓范圍：120V～300V

    測量精度：140～300V時，誤差不超過3V

    負載功率：1.1KW

    工作溫度：-30～70℃

    兩路切換時間：小于0.5秒

    采樣時間：0.5秒

    檢測功能：

    正常范圍187～253V，工作范圍140～270V (-80V～+50V)

    A．兩路都正常（198～242V）時，不記錄、不切換；兩路都正常（187～198V，242～253 V）時，記錄、不切換。       

    B．一路正常，另一路超正常范圍時，記錄、切換到正常一路。

    C．兩路都超正常范圍時，記錄、切換到較好一路。

    D．一路超正常范圍，另一路超140～270V時，記錄、切換到可用一路。

    E．兩路都超過140～270V時，記錄、若持續(xù)超過10秒切斷兩路負載。

    F．超正常范圍，每變化3V時，記錄一次，但變化3V應持續(xù)超過5秒以上。

    顯示、記錄內(nèi)容：

    A．超出范圍記錄：兩路電壓實時值，日期、時間（年月日、時分秒）。

    B．采用LED同時顯示兩路電源電壓的電壓值，查詢時顯示電壓值發(fā)生的日期、時間。

    C．記錄數(shù)據(jù)容量大于3276條。

    備有微型打印機接口，可實時打印出故障數(shù)據(jù)、設備號、日期及時間。

    具有專用IC卡存儲功能，進行故障記錄和分析。

    4  系統(tǒng)的應用

    高可靠性，良好的電磁兼容性是貫穿本系統(tǒng)設計的指導思想。目前，本系統(tǒng)已成功應用于大同鐵路局鐵路信號機的電源控制中，以本系統(tǒng)為基礎加以改進，還可用于其它的電源監(jiān)測與控制。高度的智能化與大量可靠的故障記錄，為工作人員及時監(jiān)測與處理故障提供了可靠的依據(jù)。

     參考文獻

    [1] 王有緒、許杰、李拉成. PIC系列單片機接口技術及應用系統(tǒng)設計. 北京：北京航空航天大學出版社.2000

    [2] CIRRUS LOGIC CORPORATION. Single Phase Bi-Directional Power/Energy IC-CS5460A. 2002