基于DSP 的电源监控单元电路设计

李安阳，吕国飞

（中国船舶集团有限公司第七二六研究所，上海，201108）

0 引言

电源安全是电路系统安全的基石。在产品质量要求越来越高的今天，能否对电源进行实时的监控，对整个电路系统的安全将起到至关重要的作用。在产品的研制、生产过程中也需要对监测的电压、电流信号进行实时监控，对监测到的参数进行保存，将出现异常的被监测电源进行断开操作等处理[1-3]。这些需求都需要一个电源实时监测控制电路系统来实现。而市场中电源监控设备存在采集精度低，应用领域单一，工作模式单一，联网不便等问题。为此本文提出并设计了一种通用性较好的电源实时监控制单元，减少重复性设计给产品研发、生产造成的经济、时间、人力成本。

1 单元整体设计

电源实时监控单元在设计之初即考虑到外围电路的干扰问题，为此设计了隔离保护及放大处理电路，待检测信号只需经过简单的处理即可接入检测单元；为了提高检测精度，采用高分辨率的AD 采集芯片：为使监测数据能实时显示及数值记录设计了显示屏。为使系统的工作模式、应用领域得到拓展设计了嵌入式控制器：考虑到系统的联网、远程监控等功能而设计了功能扩展模块备用接口。

2 电源设计

继电器及运算放大器等元器件工作所需要的12V 电压和其他5V 片内供电模块，在此选48V 转5V/12V 的XPPower JCP4048T0512 电源模块。而嵌入式芯片工作需要的1.8V,3.3V，在此选择TPS73HD318 电源转换模块。为了安全，电源的输入采用自恢复保险丝隔离。

图1 电源实时监控单结构简图

3 隔离保护及运放设计

模拟信号处理通道主要由电压信号输入接口、分压及限压电路、线性光电隔离、OP 放大电路、限压保护电路构成。考虑到外界电网以及待检测电源的复杂性和系统的安全性，将待测电源与本系统进行隔离设计，为此选择具有线性磁电耦合隔离作用的顺源公司的ISOEM-SD 系列元件。其使用方便，应用领域广泛，无需外接调节转换的元器件，即可实现工业现场信号的隔离转换[4,5,6]。其可以很好的隔离电网干扰，保障系统的安全和稳定。运算放大器选择具有两级放大功能的OP484 芯片，其能使系统电源监测范围得到很好的拓展。

4 采集及显示设计

为了提高系统对电能质量纹波的检测精度，系统选择具有16 位宽的AD7656 采集芯片。其具有八个并行采集端口，使得系统可以同时对多路电源进行监测。为了将实时检测的数据及需要记录的保护数值直观的显示出来。在此选择清达光电LCM3202404 显示屏液晶显示模块。该显示屏采用320×240 点阵显示，可以实现字符与图形的多层显示，界面显示可以自定义，满足系统监控的功能需求。该显示屏采用模块化一体设计，使用非常方便。

5 控制器及扩展接口设计

本电路单元的嵌入式控制芯片采用T1 公司的TMS320 F2812 型号的DSP 芯片；各路输入的电压电流经过隔离、滤波放大处理后，进行AD 采样。DSP 将AD 采样数值运算处理之后将电能质量状态显示在液晶屏上。当一路或多路输入出现过压过流现象时，DSP 控制继电器切断输入接口，对系统进行保护[7,8]。

考虑到应用领域及工作方式的不同需求，系统还设计了一些扩展接口。扩展接口可以实现工作模式及保护参数的自由设置。另外基于DSP 芯片自带的CAN 总线及SCI 接口可以实现系统的联网及远程监控。基于DSP 芯片的SPI 接口可以扩展存储器，实现监测数据的记录，这些在需要数据记录的环境试验中很有必要。

6 系统测试

系统通电后会首先检测工作模式及保护参数设置模块的工作模式参数，根据不同的工作模式对液晶屏进行初始化，画出背景界面，接着系统会提示操作人员进行相应通道的保护参数进行设置并确认。以上设置内容完成之后，系统会进入对通道信号参数进行采集及控制的循环过程中。

试验选择对48V、70V 直流电源进行监控测试，两个电源的保护电压数值分别设定为最大50V 和80V，保护电流设定为最大3A。工作模式设定为若被监测电源的电压、电流数值超过设定的保护数值，系统进行电源切断操作，实验过程如图2 所示。

图2 系统测试图

经过测试，系统能够实现对电源的实时监测和保护，系统稳定性好，符合设计预期。

7 结束语

同市面上的一些电源监测控制系统相比，本系统的AD 采集通道也即是模拟信号处理通道数量高达8 通道，还可根据需要进一步扩展。其对所监测电源的操作模式有三种：定时对采集的电源通道进行断开或者接通，对达到设定保护参数的电源进行断开或者接通，只对达到设定的保护参数的电源参数及时间记录保存在一个固定文件中，等待工作人员拷取参数。系统的工作模式以及电源的保护参数可以通过相应的设置模块设置，增加了系统应用的灵活性。另外，除了应用于电能质量参数的监控之外，本系统对于涉及模拟信号监测，控制的领域都具有通用性。