CN106980287A - 一种电源实时监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源实时监控装置，包括控制器、供电电路、复位电路、以太网通信电路、CAN通信电路、RS485通信电路、保护电路、数据存储电路、采样选通切换电路、采样公共通道、检漏选通切换电路和显示及报警电路。本发明可在本控或者程控条件下对电源系统的多个状态量进行实时监控，自动化程度高，检测效率高，实时响应强，可同时对电源的多个状态量进行量化，检测结果可本地显示，也可以通过以太网传输到上位机，解决现有的电源状态监控不能够量化的问题，一定程度上为电源排故提供了的数据支撑，提高了电源排故的效率。

Description

一种电源实时监控装置

技术领域

本发明属于电源监控技术领域，具体涉及一种电源实时监控装置，实现在本控或者程控条件下系统自动、实时的监测车载电源状态，通过对电源状态量的量化实现对车载电源状态的实时监控管理。

背景技术

在车载系统中，电源作为系统的动力，其状态关系到车载系统能否正常运行。目前车载系统中的电源监控仅是通过简单的状态指示来实现，缺乏对电源状态的实时性监测及量化，对系统排故缺乏强有力的数据支撑，一定程度上增加了系统排故的难度。

发明内容

针对现有技术的问题和技术需求，本发明提供一种电源实时监控装置，可对电源系统的多个状态量进行实时监控，自动化程度高，检测效率高，实时响应强。

一种电源实时监控装置，包括控制器、供电电路、复位电路、以太网通信电路、CAN通信电路、RS485通信电路、保护电路、数据存储电路、采样选通切换电路、采样公共通道、检漏选通切换电路和显示及报警电路，其中：

供电电路的输入端连接外部电源，输出端连控制器的供电端；

复位电路的输入端连接供电电路，输出端连接控制器的复位引脚和数据存储电路的存储芯片复位引脚；

以太网通信电路的一端连接控制器的具有串口功能的引脚上，另一端连接以太网接口；

CAN通信电路的一端连接控制器的具有CAN收发功能的引脚上，输出端连接另外一个CAN通信电路的输出端或者CAN网络中的一个组网节点；

RS485通信电路的输入端连接控制器的具有串口功能的引脚上，输出端连接到显示及报警电路的输入端；

保护电路的一端连接控制器的GPIOx引脚上，另一端连接待监控电源主功率管的驱动信号输入端；

数据存储电路的数据线与控制器的数据接口XDx相连接，地址线与控制器的地址接口XAx相连接；

采样选通切换电路的控制端通过电平转换芯片连接控制器的GPIOx引角，采样选通切换电路的输入端连多个分压电阻采样通道的输出端，输出端连接公共采样通道的输入端，采样选通切换电路用于选通某一个分压电阻采样通道，保证在同一时刻只有一个通道选通，完成电源电压或电流的采集；

公共采样通道的输入端连接采样选通切换电路的输出端，采样公共通道的输出端连接控制器的AD口，用于实现对采样选通切换电路对应的电压或电流或温度采集；

检漏选通切换电路的输入端连接待监控电源的输出电压端，输出端连接公共采样通道的输入端，检漏选通切换电路用于待监控电源系统正漏、负漏、不漏状态之间的切换从而采集对应状态下的漏电数据；

显示及报警电路的输入端连接RS485通信电路的输出端，显示及报警电路的输出端连接指示灯。

进一步地，所述公共采样通道包括依次连接的第一运算放大器、隔离运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器的输出端连接控制器的AD口，第二运算放大器的输入端连接采样选通切换电路的输出端。

本发明的有益技术效果体现在：

本发明可在本控或者程控条件下对电源系统的多个状态量进行实时监控，自动化程度高，检测效率高，实时响应强，可同时对电源的多个状态量进行量化，检测结果可本地显示，也可以通过以太网传输到上位机，解决现有的电源状态监控不能够量化的问题，一定程度上为电源排故提供了的数据支撑，提高了电源排故的效率。

本发明的供电及复位电路、以太网通信电路、CAN通信电路、RS485通信电路、保护电路、数据存储电路、采样选通切换电路、采样公共通道、检漏电路、显示及报警电路采用模块化、通用化设计，多通道电压检测时分时共用。

本发明无论是在本控状态下还是在程控状态下信息交互量大，交互方式多、交互能力强，在自动控制领域根据实际需要可选择型使用相关电路，有一定的推广性。

附图说明

图1为本发明实施例的总框图；

图2为本发明实施例的供电及复位电路；

图3为本发明实施例的CAN通信电路结构图；

图4为本发明实施例的RS485通信电路结构图；

图5为本发明实施例的采样选通切换电路结构图；

图6为本发明实施例的检漏电路结构图；

图7为本发明实施例的公共采样通道示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明电源监控装置包括控制器、供电电路、复位电路、以太网通信电路、CAN通信电路、RS485通信电路、保护电路、数据存储电路、采样选通切换电路、采样公共通道、检漏选通切换电路和显示及报警电路。其中：

供电电路输入端连接整个装置的输入电源，输出端连接电源转换电路的输入端或某芯片供电端，供电电路通过电源模块为整个装置所有芯片直接或者间接提供所需的各种类型的电压。

复位电路输入端连接控制器的供电电源(同时监控3.3V和1.9V)，输出端连接控制器的复位引脚和数据存储电路中存储芯片的复位引脚，复位电路通过时刻监控控制器的供电电压保证控制器的正常工作，一旦监测到电压低于设定的阈值，复位芯片即可产生200ms的低电平使控制器和存储芯片复位。

以太网通信电路实现在程控状态下电源系统单机与外界系统的信息的交互，其输入端连接控制器的具有串口功能的引脚上，输出端连接以太网接口，以太网通信电路通过以太网模块实现串口数据转换成以太网数据形式发出，也可接收外部的以太网数据，转换成串口数据通过控制器的串口进入控制器，从而实现串口转以太网、以太网转串口的功能，实现双向信息交互。

CAN通信电路实现电源系统内部各个相互独立的组件之间信息的交互，其输入端连接控制器的具有CAN收发功能的引脚上，输出端连接另外一个CAN通信电路的输出端或者CAN网络中的一个组网节点，CAN通信电路通过CAN收发器实现CAN网络的组网，实现一对一形式或者一对多形式的双向信息交互。同时要求首选具有隔离功能的CAN收发器及具有隔离功能的供电电源，以提高数据传输时的可靠性。

RS485通信电路实现在本控状态下电源系统单机与显示屏及报警电路之间信息的交互，其输入端连接控制器的具有串口功能的引脚上，输出端连接到显示及报警电路的输入端。RS485通信电路通过485收发器实现控制器与显示终端的双向信息交互。要求首选具有隔离功能的、半双工工作模式的485收发器、具有隔离功能的供电电源、以提高数据传输的可靠性，同时要保证电路中的匹配电阻的一致性。

保护电路实现对系统中的功率器件的软保护和硬保护双保护功能，其输入端连接控制器的GPIOx引脚上，输出端连接在待监控电源主功率管主功率管的驱动信号输入端。保护电路通过实时检测监测到的电压、电流和温度等信息实现从硬件方面对主功率器件的保护，同时，在控制器的监控系统运行过程中，出现异常时，在硬件保护的同时，软件也实现对主功率管子的保护。

数据存储电路的数据线与控制器的数据接口XDx相连接，地址线与控制器的地址接口XAx相连接，通过数据存储电路中的FLASH芯片时时存储一定时间内系统中各种参数的状态值，完成数据的存储，为系统信息查询或者系统排故提供数据支撑。

采样选通切换电路主要由继电器组成，继电器的控制端通过电平转换芯片连接控制器的GPIOx引脚上，采样选通切换电路的输入端连接多个分压电阻的输出端，输出端连接在采样公共通道的输入端。采样选通切换电路通过控制不同的继电器选通不同的分压电阻采样通道，保证在同一时刻只有一个通道选通，实现对电源系统不同支路的信息(输出电压、输入电压等)采样。

公共采样通道实现对采样选通切换电路对应的采集量进行采集和处理，实现对检漏电路对应的采集量进行采集和处理，其主要由两个运算放大器和一个隔离运算放大器组成。公共采样通道的输入端连接采样选通切换电路的输出端，公共采样通道的输出端连接控制器的AD口。公共采样通道通过隔离运算放大器将采集的信号与控制器之间完全隔离开，从硬件上充分保护了控制器的安全。首选外扩的AD电路，可以提高数据采集的精度。

检漏电路实现对系统的多路输出电压检漏时的切换，其输入端连接待监控电源的输出电压端，检漏电路的输出端连接在公共采样通道的输入端。检漏电路用于待监控电源系统正漏、负漏、不漏状态之间的切换从而采集对应状态下的漏电数据，为系统的漏电程度提供量化数据，保证系统及人身安全。

显示及报警电路的输入端连接RS485通信电路的输出端，输出端连接指示灯。显示及报警电路通过在显示屏上实时显示系统的电压、电流、温度等数据信息，同时可以通过外部按键接收对系统参数(电压、电流、温度、IP地址等)的设置，当有异常情况发生时，在显示屏显示具体异常信息的同时点亮指示灯进行报警。

实例：

供电及复位电路如图2所示，模块N1将输入的直流电压28V转换成电路工作时所需要的电压5V，该模块选用的是成熟的电源模块DPBL16-W24S5；模块N2将输入的直流电压28V转换成电路所需要的±15V，该模块选用的是成熟的电源模块DPBL16-W24D15；模块N3将5V的电压通过电源芯片N3转换成DSP控制器需要的3.3V和1.9V，同时3.3V给外围电路的芯片提供电能，此处的电源芯片采用TI公司的TPS70302PWPR，此芯片可根据需要完成1.9V先输出，3.3V后输出的功能，满足DSP上电的设计要求；模块N4实现对DSP的3.3V和1.9V同时监控的功能，保证了DSP所需要电压的正常工作范围，该模块采用TI公司的TPS3305-18D。

以太网通信电路在系统程控状态下完成系统与外界的信息交互功能，该电路中使用的模块选用的是广州致远公司的ZNE-100TL+-I，该模块实现串口与以太网的相互转化，该模块移植性强。上位机可以通过以太网通信电路对系统中的任何状态信息进行实时交互。

CAN通信电路由CAN收发器和CAN隔离电源组成，如图3所示。该通信电路主要实现系统内部多路输出时，各个功能部件之间进行相互通信，组成CAN通信网络，将信息统一汇总到一个组件中进行处理，方便数据的管理。具有隔离功能的CAN收发器可以提高系统数据传输的可靠性，为此选用了TI公司的ISO1050DUB，同时需要采用隔离电源给收发器进行供电。隔离电源采用TI公司的DCR010505U，将5V的电源转换成隔离的5V给收发器提供电能。在CAN通信电路组网过程中，匹配电阻非常重要，选用不当，会造成数据传输过程中出错。在通常情况下，电路中的匹配电阻(图中R98和R99)阻值一般选为60.4Ω。

RS485通信电路由RS485收发器和隔离电源组成。如图4所示。该通信电路主要实现在本控状态下系统的状态信息与显示及报警电路模块进行信息交互，用于本地显示或者对系统的状态信息进行查询或者操作功能。485的抗干扰能力要优于422和232通信，同时采用半双工模式可以降低容错率，提高数据的可靠性，RS485收发器选用的是NVE公司的IL485E，隔离电源同样采用TI公司的DCR010505U。

保护电路主要实现对系统中主功率器件的保护功能，由比较器、与门、光耦组成。当检测电压或者电流大于参考值时，从硬件上直接锁死给主功率管的驱动信号。以达到保护管子的作用，在硬件保护的同时，软件检测到不正常测量值时，也同时停止输出PWM信号。以实现硬件和软件双保护的功能。

数据存储电路实现系统中状态信息的存储功能，该电路主要由外扩的FLASH组成。一般系统出现故障后系统就会关机，导致在排故时有很大的难度，众多状态数据无法得知，通过保存一定时间段的系统的状态信息，当系统出现故障时，通过读取该存储电路中的数据信息可有助于系统的排故。

采样选通切换电路由继电器组成，控制器发出控制信号，经过电平转换，然后控制继电器的开与断实现某一路分压后的电压接通,如图5所示，当KZ_+V1out和KZ_-V1out同时为高时，继电器K1B和K1D就处于闭合状态，电路接通。为保证电路的安全性及可靠性，控制器程序中对继电器的控制信号做了与处理，即保证任何一个时刻只有其中一路继电器处于接通状态或者所有继电器处于断开接通。由电阻R101和R102组成采样电阻分压通道，如图5所示，将输入电压V1转换成V1out，不同的检测电压对应不同的分压比，其中R101和R102值的大小由AD芯片的采样范围决定的，为保证AD芯片的线性度和提高采样的精度，通常保证精密电阻网络分压后的数值在AD芯片采样范围的中间值附近，且必须选取精密电阻。

检漏电路实现对检测电压的正漏状态、负漏状态、零位状态的电路切换。由于检测电压是多路的，同时不同的器件，参数的偏差，为保证检测的准确性和正确性，任何一次检漏开始前，都必须先校零位，将采样的零位值作为基准值，零位采样完成后再进行正漏、负漏的采样。如图6所示，其中JK为机壳信号，通过电缆与实际系统的机壳相连接，检漏具体实施过程：第一步：在保证电压选通切换电路全部处于断开的前提下，闭合继电器K2H，采取零位值Z0，然后断开K2H；第二步：通过电压选通切换电路选通一路电压，此采样此时的电压值V0；第三步：闭合继电器K2B和K2D，电阻R103和R104接入电路改变了原电路的结构，JL+通过R104与系统机壳相连接，采样此时的电压值V1，然后断开继电器K2B和K2D；第四步：闭合继电器K2B、K2D和K2F，电阻R103接入电路改变了原电路的结构，JL-通过R103与系统机壳相连接，采样此时的电压值V2，然后断开继电器K2B、K2D和K2F。

公共采样通道由运算放大器N1和N3及隔离放大器N2组成，隔离放大器N2保证了输入电压和控制器之间的电压完全隔离开，具体电路设计如图7所示。

控制器的AD口可使用DSP本身自带的AD接口，也可外扩AD芯片。本设计中选取了具有12位待并行微机接口的逐次逼近型模数转换芯片AD1674ARZ，其转换时间只需要10μs，有四种输入范围可供选择，为保证电路的通用性，该设计中采用了0-20V的输入范围，输出采用并行方式。

控制器可由DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable GateArray)、ARM(Advanced RISCMachines)、SoC(System on Chip)替换。本设计中选用了TMS320F28335PGFA控制器主要完成对继电器的控制、与显示屏通过RS485进行通信、与上位机通过以太网进行通信、采样数值的处理。将系统的状态信息通过本控通信电路送到显示及报警电路进行显示或进行声光报警，或者通过程控通信电路送到上位机进行显示。

显示及报警电路用于将电源状态量时时显示在显示屏上，以便定量的掌握电源系统中各状态量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电源实时监控装置，其特征在于，包括控制器、供电电路、复位电路、以太网通信电路、CAN通信电路、RS485通信电路、保护电路、数据存储电路、采样选通切换电路、采样公共通道、检漏选通切换电路和显示及报警电路，其中：

供电电路的输入端连接外部电源，输出端连控制器的供电端；

复位电路的输入端连接供电电路，输出端连接控制器的复位引脚和数据存储电路的存储芯片复位引脚；

以太网通信电路的一端连接控制器的具有串口功能的引脚上，另一端连接以太网接口；

CAN通信电路的一端连接控制器的具有CAN收发功能的引脚上，输出端连接另外一个CAN通信电路的输出端或者CAN网络中的一个组网节点；

RS485通信电路的输入端连接控制器的具有串口功能的引脚上，输出端连接到显示及报警电路的输入端；

保护电路的一端连接控制器的GPIOx引脚上，另一端连接待监控电源主功率管的驱动信号输入端；

数据存储电路的数据线与控制器的数据接口XDx相连接，地址线与控制器的地址接口XAx相连接；

采样选通切换电路的控制端通过电平转换芯片连接控制器的GPIOx引角，采样选通切换电路的输入端连多个分压电阻采样通道的输出端，输出端连接公共采样通道的输入端，采样选通切换电路用于选通某一个分压电阻采样通道，保证在同一时刻只有一个通道选通，完成电源电压或电流的采集；

公共采样通道的输入端连接采样选通切换电路的输出端，采样公共通道的输出端连接控制器的AD口，用于实现对采样选通切换电路对应的电压或电流或温度采集；

检漏选通切换电路的输入端连接待监控电源的输出电压端，输出端连接公共采样通道的输入端，检漏选通切换电路用于待监控电源系统正漏、负漏、不漏状态之间的切换从而采集对应状态下的漏电数据；

显示及报警电路的输入端连接RS485通信电路的输出端，显示及报警电路的输出端连接指示灯。

2.根据权利要求1所述的电源实时监控装置，其特征在于，所述公共采样通道包括依次连接的第一运算放大器、隔离运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器的输出端连接控制器的AD口，第二运算放大器的输入端连接采样选通切换电路的输出端。