CN102832598B - 智能监控模块 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种智能监控模块，包括如下的部件：外壳，外壳由左右两个壳身组合而成，外壳内具有插板槽。旋钮手柄，安装在外壳的顶部中间位置。一组按键，安装在外壳的顶部，与旋转手柄相邻，位于旋转手柄的第一侧。液晶显示器，安装在外壳的顶部，与旋转手柄相邻，位于旋转手柄的第二侧。显示微动开关板，连接到一组按键和液晶显示器。主板，安装在外壳内的插板槽上，主板上具有DSP处理单元与离线存储器单元，主板与显示微动开关板电连接。采样通信电源板，安装在外壳内的插板槽上，采样通信电源板上具有检测单元、通信单元和电源模块，采样通信电源板与主板在插板槽上相向对插。

Description

智能监控模块

技术领域

本发明涉及低压电器领域，更具体地说，涉及一种电子式的智能监控模块。

背景技术

目前国内在居民住宅配电、低压电器保护现场很少采用电子式监控模块。即便使用，一般是功能齐全的则体积相对都较大，或体积小的则功能简单，虽可对各种过电流信号进行实时处理，实现多种低压电器保护特性和众多辅助功能，并当监控模块发出动作指令时，能通过磁通脱扣器或电操机构快速分断小型断路器或小开关，但已不能满足日益发展的智能配电系统的需求。新的智能住宅系统及许多用电场合需要体积小、性能可靠性高，结构紧凑，能更清晰地显示小型断路器现场工作状况，能实时与远端进行通信，而且带有一定监控能力的紧凑型智能监控模块。

发明内容

本发明旨在提出一种结构紧凑的智能监控模块，能够在数据采集、计算以及实时监控、通信等方面具有更高的精度、更快的实时响应、更高的可靠性、更强的通信适配能力和抗干扰能力。

根据本发明的一实施例，揭示了一种智能监控模块，它包括外壳、旋钮手柄、一组按键、液晶显示器、显示微动开关板、主板和采样通信电源板。

外壳由左右两个壳身组合而成，外壳内具有插板槽。旋钮手柄安装在外壳的顶部中间位置。一组按键安装在外壳的顶部，与旋转手柄相邻，位于旋转手柄的第一侧。液晶显示器安装在外壳的顶部，与旋转手柄相邻，位于旋转手柄的第二侧。显示微动开关板连接到一组按键和液晶显示器。主板安装在外壳内的插板槽上，主板上具有DSP处理单元与离线存储器单元，主板与显示微动开关板电连接。采样通信电源板安装在外壳内的插板槽上，采样通信电源板上具有检测单元、通信单元和电源模块，采样通信电源板与主板在插板槽上相向对插。

根据一个实施例，外壳的侧壁上具有一组开口，一组开口内安装接口，包括通信接口、电源接口和采样及操作接口，都连接到连接到采样通信电源。

根据一个实施例，外壳的底部具有一组散热孔。通信接口和采样及操作接口位于外壳的第一侧壁。电源接口位于外壳的第二侧壁，第二侧壁与第一侧壁相对。

根据一个实施例，DSP处理单元在智能监控模块上电时先检查GPIOA0引脚与GPIOA1引脚的电平状态，根据GPIOA0引脚与GPIOA1引脚的电平状态进入相应的工作模式。

根据一个实施例，GPIOA0引脚用于三极与四极判断，GPIOA1引脚用于运行与测试校正状态的判断。

根据一个实施例，主板通过第一组合接口和扁平电缆与显示微动开关板电连接，第一组合接口集成按键、微动与显示接口。主板通过第二组合接口与采样通信电源板对插连接，第二组合接口组合电源、采样、通信与操作接口。

根据一个实施例，检测单元包括绝对值转换与检波电路与温度检测电路。绝对值转换与检波电路包括包括二个运算放大器和二个由±5V电压和电阻组成的辅助电路。温度检测电路包括±5V电压和一个温度传感器。

根据一个实施例，通信模块包括收发切换电路和RS485驱动器。

根据一个实施例，电源模块是单端反激式电源，包括：依次相连的限流限压电路、差模共模滤波电路、整流滤波电路、集成开关芯片、高频变压器和输出滤波电路，其中输出滤波电路的输出信号经过电压偏差电路和光耦隔离电路反馈给集成开关芯片，电压偏差电路还接收基准电压输入。

本发明的智能监控模块采用小型模块化的硬件设计和整体性的布局，而且结构设计合理、紧凑，显示清晰，具有很强的实用性。同时这种模块化的硬件设计使得本智能监控模块具有快速的时间响应和很强的抗干扰能力。这样，通过模块电路合理的设计，关键元器件的选型，高频变压器的有效设计，以及抗干扰和发射性能的改进设计，为低压电器小型断路器或小开关整体性能的提高奠定了可靠的基础。该模块还具有通信适配能力，成为新一代可通信低压电器配电系统中的一种紧凑型智能监控模块。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例的结构图。

图2揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的DSP处理单元的电路结构。

图3揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的离线存储器单元的电路结构。

图4揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的绝对值转换与检波电路的电路结构。

图5揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的±5V电压源的电路结构。

图6揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的温度检测电路的电路结构。

图7揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的通信模块的电路结构。

图8揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的电源模块的结构框图。

具体实施方式

本发明提出一种智能监控模块，包括如下的部件：

外壳，外壳由左右两个壳身组合而成，外壳内具有插板槽。

旋钮手柄，安装在外壳的顶部中间位置。

一组按键，安装在外壳的顶部，与旋转手柄相邻，位于旋转手柄的第一侧。

液晶显示器，安装在外壳的顶部，与旋转手柄相邻，位于旋转手柄的第二侧。

显示微动开关板，连接到一组按键和液晶显示器。

主板，安装在外壳内的插板槽上，主板上具有DSP处理单元与离线存储器单元，主板与显示微动开关板电连接。

采样通信电源板，安装在外壳内的插板槽上，采样通信电源板上具有检测单元、通信单元和电源模块，采样通信电源板与主板在插板槽上相向对插。

外壳的底部具有一组散热孔。外壳的侧壁上具有一组开口。该一组开口内安装接口，包括：通信接口、电源接口和采样及操作接口，上述的通信接口、电源接口和采样及操作接口都连接到采样通信电源板。其中通信接口和采样及操作接口位于外壳的第一侧壁。电源接口位于外壳的第二侧壁，第二侧壁与第一侧壁相对。

主板通过第一组合接口和扁平电缆与显示微动开关板电连接，第一组合接口集成按键、微动与显示接口。主板通过第二组合接口与采样通信电源板对插连接，第二组合接口组合电源、采样、通信与操作接口。

DSP处理单元在智能监控模块上电时先检查GPIOA0引脚与GPIOA1引脚的电平状态，根据GPIOA0引脚与GPIOA1引脚的电平状态进入相应的工作模式。GPIOA0引脚用于三极与四极判断，GPIOA1引脚用于运行与测试校正状态的判断。

检测单元包括绝对值转换与检波电路与温度检测电路，绝对值转换与检波电路包括二个运算放大器和二个由±5V电压和电阻组成的辅助电路。温度检测电路包括±5V电压和一个温度传感器。

通信模块包括收发切换电路和RS485驱动器。

电源模块是单端反激式电源，包括：依次相连的限流限压电路、差模共模滤波电路、整流滤波电路、集成开关芯片、高频变压器和输出滤波电路，其中输出滤波电路的输出信号经过电压偏差电路和光耦隔离电路反馈给集成开关芯片，电压偏差电路还接收基准电压输入。

图1-图8揭示了根据本发明的智能监控模块的一个具体实现。该智能监控模块采用模块化设计，不仅具有电流检测、长延时、短延时、监控和机械寿命指示等传统低压电器相关功能，通过采集配电系统中某一支路中的三相电流等电参数，根据功能设置进行相关计算，及时指示小型断路器或小开关脱扣，起到保护智能配电系统安全运行的作用。该智能监控模块可在液晶显示面板上直接显示相关数据，如故障电流、过载预报警、电流不平衡、断相、温度、机械寿命等信息。在通信方面，该智能监控模块内置通信功能，通过RS485通信接口采用Modbus通信协议接入相应网络，与远端进行数据交换，使该模块具有很强的通信适配能力。同时电源部分采用开关电源技术与电磁兼容技术，使该模块不仅具有很宽的工作电压，而且具有很强的抗干扰能力，能适应智能配电系统低压电器的各种现场环境并安全可靠地工作。

参考图1所示，该智能监控模块100包括：

外壳102，外壳102由左右两个壳身组合而成，外壳内具有插板槽。外壳102的大小尺寸与小型断路器或小开关相仿，厚度约为18mm。外壳102的底部具有一组散热孔103。散热孔103有利于内部器件的散热，确保了智能监控模块100的长时间工作的能力。

旋钮手柄104安装在外壳102的顶部中间位置。旋转手柄104由小型断路器或小开关联动，旋转手柄104向上表示开关合闸，向下表示开关分闸。

一组按键106安装在外壳102的顶部，与旋转手柄104相邻，位于旋转手柄104的第一侧。一组按键106可以包括复位和循环两个按键，按键操作时可伴有蜂鸣声，复位按键可复位和初始化智能模块的工作状态。循环按键可循环显示各参数及工作状态，如各相电流值、三相电流不平衡率、断相率、智能监控模块内工作温度、上一次发生故障的某一相电流值以及小型断路器或小开关机械寿命等。

液晶显示器108安装在外壳102的顶部，与旋转手柄104相邻，位于旋转手柄104的第二侧。液晶显示器108可以是16×16mm的LCD段码方式、宽工作温度范围的液晶显示器，可显示开关故障报警信息，液晶显示器108可以带背光灯。

显示微动开关板110，连接到一组按键106和液晶显示器108。

主板112，安装在外壳102内的插板槽上，主板上具有DSP处理单元与离线存储器单元，主板与显示微动开关板110电连接。

采样通信电源板114，安装在外壳内的插板槽上，采样通信电源板114上具有检测单元、通信单元和电源模块，采样通信电源板114与主板112在插板槽上相向对插。采样通信电源板114与主板112可以采用有两角插针对插固定的，使得连接牢固。

外壳102的侧壁上具有一组开口。该一组开口内安装接口，包括：通信接口116、电源接口118和采样及操作接口120，上述的通信接口116、电源接口118和采样及操作接口120都连接到采样通信电源板114。其中通信接口116和采样及操作接口120位于外壳102的第一侧壁。电源接口118位于外壳102的第二侧壁，第二侧壁与第一侧壁相对。

该智能监控模块可与小型断路器或小开关配合使用(如配合使用在VB60带选择性保护家用主开关上)。主板112上的DSP处理单元完成A、B、C、N相电流信号的采样处理、按键和显示处理、运算比较、通信数据处理、监控、状态信息掉电保护等功能。液晶显示器108与一组按键106作为整个智能监控模块的输入输出单元，为实现人机交互提供了一个良好的接口，液晶显示器108能够循环显示电流等各参数、报警显示机械寿命与各状态、故障显示故障信息、通信显示通信在线状态。采样通信电源板114上的检测单元完成对各相电流的信号检测，A/D采样后传送给DSP处理单元处理。采样通信电源板114上的通信单元通过RS485接口采用Modbus通信协议与外部通信。采样通信电源板114上的电源模块采用开关电源将220V交流市电变换为模块所需的多路直流电源。

图2揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的DSP处理单元的电路结构。在智能监控模块100上电工作时DSP处理单元会首先检查引脚GPIOA0与引脚GPIOA1的电平状态，以此为依据进入相应的工作模式，图2中同样示出了模块工作模式接口。其中，引脚GPIOA0作为小型断路器或小开关型式的三极与四极判断。引脚GPIOA1作为模块处于运行与测试校正状态的判断，模块的测试校正状态用于电流互感器的精度校正，校正完后应使模块处于运行状态。

DSP处理单元位于主板102上，采用了Freescale的DSP芯片MC56F8025完成信号的检测与运算并实现数据的输入输出。为了实现关键数据的离线存储，还提供了一个离线存储器单元。图3揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的离线存储器单元的电路结构。离线存储器单元采用了基于I2C总线协议的铁电式存储器芯片FM24CL04。

液晶显示器108采用宽温定制的段码LCD，数据实时刷新显示，若使用DSP处理单元直接驱动外部IO实现液晶显示器108的刷新扫描，将会占用DSP处理单元大量的系统资源。为了降低处理核心的工作负荷，保证数据处理的实时性，主板上使用了专用的段码式液晶扫描芯片HT1621B驱动宽温液晶显示。小型断路器或小开关上脱扣器的分合闸位置信号通过可联动的旋钮手柄经由模块内微动开关输入至DSP处理单元的引脚GPIOA2(图中未示出)。一组按键106中的复位和循环两个按键分别实现参数切换和软复位功能，分别连接至DPS处理单元的引脚GPIOA3(图中未示出)和引脚GPIOA4(图中未示出)。

主板112通过第一组合接口和扁平电缆与显示微动开关板110电连接。第一组合接口集成按键、微动与显示接口。主板112通过第二组合接口与采样通信电源板114对插连接，第二组合接口组合+3.3V电源、采样、通信与操作接口。

在采样通信电源板114上还安装有互感器、操作接口，互感器和操作接口连接到装在小型断路器或小开关上的操作机构，根据电流检测情况对其实施分、合闸操作，也可通过通信操作。

检测单元位于采样通信电源板114上。检测单元的电流检测硬件与软件校正程序紧密结合，确保各相电流的检测范围为20A～1000A，精度达到100A的1％以内。检测单元利用A、B、C、N相电流空心互感器信号经由互感器、操作接口输入，再经由绝对值转换与检波电路，通过第二组合接口(集成了+3.3V电源、采样、通信)输出至DSP处理单元的AD口中的ANA0、ANA1、ANA2、ANA3进行采样(上述的DSP处理单元的AD口中的ANA0、ANA1、ANA2、ANA3没有在图中示出)。

检测单元包括绝对值转换与检波电路与温度检测电路。图4揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的绝对值转换与检波电路的电路结构。它包括二个由±5V电压和电阻组成的辅助电路。图5揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的±5V电压源的电路结构。该电压源中由+5V电压经ICL7660产生而提供绝对值转换与检波电路所需的-5V电压。图6揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的温度检测电路的电路结构。温度检测电路实现模块内温度的检测，温度检测电路采用温度传感器LM35实现。温度检测电路包括一个±5V电压和一个温度传感器，例如LM35。温度检测电路的输出信号经一片OP07A芯片构成的电压跟随器(电压跟随器在图中没有示出)对LM35的采样信号进行跟踪，保持温度采样信号的稳定性，最后通过第二组合接口(集成了+3.3V电源、采样、通信)输出进行采样。

通信电路位于采样通信电源板114上。通信模块包括收发切换电路和RS485驱动器。图7揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的通信模块的电路结构。通信模块包括收发自动切换电路和RS485驱动器。通信模块采用了基于半双工的485总线方式，使用MAX485驱动总线，由于通信速率较低，IO端子不夠用，故采用由TXD端子直接控制收发切换电路实现RS485的收发切换，还可以由此节约一个IO端子。

如图7所示，其中RxD和TxD是来自DSP处理单元的串口信号，根据DPS处理单元的芯片标准，当MAX485处于接收态时，A、B线的差分电压为VOH，在485总线上显示一个IDLE状态。当有低电平信号需要被发送时，TxD显现低电平，此时VT1导通，驱动器MAX485的RE与DE引脚均为高电平，驱动器处于发送态，该低电平信号将驱动MAX485在485总线上产生一个差分电平，即A、B线差分电压为VOL。当有高电平信号需要被发送时，TxD显现高电平，此时VT1截止，驱动器MAX485的RE与DE引脚均为低电平，驱动器处于接收态，此时A、B线上的差分电压为VOH，即相当于发送了一个高电平(或停止位Stop bit)。当没有信号需要发送时，TxD会显现高电平，此时驱动器处于接收态，持续地监听着485总线上的数据信号，接收到的数据经由RO发送至DSP的串口RxD。

图8揭示了根据本发明的智能监控模块的一实施例中的电源模块的结构框图。电源模块在采样通信电源板114上。由于电源模块与前述的绝对值转换与检波电路以及的收发切换电路、RS485驱动器共处，需要电路合理搭配与布局，既要作到强、弱电有效分离，又要防止信号相互间串扰。

电源模块采用IC-TNY274芯片的开关电源技术，提供该智能监控模块所需的电源。电源模块的拓扑结构为单端反激式，结构框图如图8所示。该电源模块包括依次相连的限流限压电路802、差模共模滤波电路804、整流滤波电路806、集成开关芯片808、高频变压器810和输出滤波电路812，其中输出滤波电路812的输出信号经过电压偏差电路814和光耦隔离电路816反馈给集成开关芯片808，电压偏差电路814还接收基准电压输入818。根据上述的电源模块，交流220V经限流、限压，以及差模、共模滤波的电源噪声滤波器LF后再通过桥式整流器整流与滤波，再输入到集成开关电源芯片和高频变压器中进行控制。输入端电源滤波电路的作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。市电经整流和电容滤波后，形成直流高电压(308V)，因此不需要偏置绕组，供给开关电源芯片IC-TNY274，构成DC/DC变换器，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出互为隔离的电源。其间，快恢复二极管和TVS管组成RD箝位电路，吸收功率器件在关断过程中由于变压器漏感产生的电压尖峰过冲，不但有效的提高了EMI，而且提高了效率。电路的工作频率为132kHz，振荡元件已固化在开关电源芯片内，高频变压器次级绕组有三路，一路为专供通信使用的+5V，另二路为共地的+5V与+3.3V。其中共地+5V经由芯片ICL7660生成一路-5V电源同时供检测部分绝对值转换与检波电路使用。选择+3.3V、输出电流大的这一绕组进行PWM脉宽调制，再由并联基准电源和光电耦合器、电压偏差比较组成电路完成取样反馈工作，从而更容易提高其它几路的交叉负载调整率。此电源模块具有体积小，抗干扰能力强，可靠性高的特点，输入电压范围宽，多路隔离输出、是一种高EMC和EMI性能的开关电源解决方案。

本发明的智能监控模块采用小型模块化的硬件设计和整体性的布局，而且结构设计合理、紧凑，显示清晰，具有很强的实用性。同时这种模块化的硬件设计使得本智能监控模块具有快速的时间响应和很强的抗干扰能力。这样，通过模块电路合理的设计，关键元器件的选型，高频变压器的有效设计，以及抗干扰和发射性能的改进设计，为低压电器小型断路器或小开关整体性能的提高奠定了可靠的基础。该模块还具有通信适配能力，成为新一代可通信低压电器配电系统中的一种紧凑型智能监控模块。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (7)

1.一种智能监控模块，其特征在于，包括：

外壳，由左右两个壳身组合而成，所述外壳内具有插板槽；

旋钮手柄，安装在外壳的顶部中间位置；

一组按键，安装在外壳的顶部，与旋转手柄相邻，位于旋转手柄的第一侧；

液晶显示器，安装在外壳的顶部，与旋转手柄相邻，位于旋转手柄的第二侧；

显示微动开关板，连接到所述一组按键和液晶显示器；

主板，安装在外壳内的插板槽上，主板上具有DSP处理单元与离线存储器单元，主板与显示微动开关板电连接；

采样通信电源板，安装在外壳内的插板槽上，采样通信电源板上具有检测单元、通信单元和电源模块，所述采样通信电源板与主板在插板槽上相向对插；

其中所述外壳的侧壁上具有一组开口，所述一组开口内安装接口，包括：

通信接口，连接到所述采样通信电源板；

电源接口，连接到所述采样通信电源板；

采样及操作接口，连接到所述采样通信电源板。

2.如权利要求1所述的智能监控模块，其特征在于，

所述外壳的底部具有一组散热孔；

所述通信接口和采样及操作接口位于外壳的第一侧壁；

所述电源接口位于外壳的第二侧壁，第二侧壁与第一侧壁相对。

3.如权利要求1所述的智能监控模块，其特征在于，

所述DSP处理单元在所述智能监控模块上电时先检查第一引脚与第二引脚的电平状态，根据所述第一引脚与第二引脚的电平状态进入相应的工作模式；

所述第一引脚用于三极与四极判断；

所述第二引脚用于运行与测试校正状态的判断。

4.如权利要求1所述的智能监控模块，其特征在于，

所述主板通过第一组合接口和扁平电缆与显示微动开关板电连接，所述第一组合接口集成按键、微动与显示接口；

所述主板通过第二组合接口与采样通信电源板对插连接，所述第二组合接口组合电源、采样、通信与操作接口。

5.如权利要求1所述的智能监控模块，其特征在于，所述检测单元包括绝对值转换与检波电路与温度检测电路，

所述绝对值转换与检波电路包括两个串联的电压源电路，每一个电压源电路包括一个±5V电压源和由电阻组成的辅助电路；

所述温度检测电路包括一个±5V电压源和一个温度传感器。

6.如权利要求1所述的智能监控模块，其特征在于，

所述通信单元包括收发切换电路和RS485驱动器。

7.如权利要求1所述的智能监控模块，其特征在于，所述电源模块是单端反激式电源，包括：

依次相连的限流限压电路、差模共模滤波电路、整流滤波电路、集成开关芯片、高频变压器和输出滤波电路，其中输出滤波电路的输出信号经过电压偏差电路和光耦隔离电路反馈给集成开关芯片，所述电压偏差电路还接收基准电压输入。