CN111725893A - 一种嵌入式电源健康检测及管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电源健康检测及管理领域，具体公开了一种嵌入式电源健康检测及管理系统，包括微控制器、电源模块、显示器、人机交互界面和上位机；目标电源、电源模块、显示器、人机交互界面及上位机分别与微控制器连接；目标电源通过电阻调理电路、模拟选择开关、运放跟随电路和AD转换电路与微控制器连接；微控制器通过第一数字隔离器和第一总线收发器与上位机通讯；人机交互界面包括本/远端程控切换控制钮、电源编号、键盘及编码器。可以实现计算机电源系统的在线健康检测和管理，该管理模块体积小，可嵌入到计算机等电子设备内部，对设备的电源系统进行实时的监控和智能管理。

Description

一种嵌入式电源健康检测及管理系统
技术领域
本发明涉及电源健康检测及管理领域，特别涉及一种嵌入式电源健康检测及管理系统。
背景技术
电源系统作为核心部件，其电气性能指标的健康状态预测与管理尤为重要，现有的电源安全管理检测手段是定期对电源系统的关键参数进行人工测试，以历次测试数据为依据进行健康判据。这种检测维护手段效率较低，而且无法及时发现问题。因此对电源系统状态在线监测已成为提高系统可靠性、可维护性必须突破的瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种嵌入式电源健康检测及管理系统，实现电源系统的在线检测及智能控制，有效提高产品的可靠性、可测试性和可维护性指标。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种嵌入式电源健康检测及管理系统，包括微控制器、电源模块、显示器、人机交互界面和上位机；目标电源、电源模块、显示器、人机交互界面及上位机分别与微控制器连接；
目标电源通过精密电阻调理电路、模拟选择开关、运放跟随电路和AD转换电路与微控制器连接；
微控制器通过第一数字隔离器和第一总线收发器与上位机通讯；
人机交互界面包括本/远端程控切换控制钮、电源编号、键盘及编码器。
进一步，电源模块包括第一电源转换模块、第二电源转换模块、第三电源转换模块和第四电源转换模块；
第一电源转换模块，用于将输入+5V电压转为+3.3V电压，为微控制器供电；
第二电源转换模块，用于将输入+5V电压转为隔离+5V电压，为第一总线收发器和第一数字隔离器供电；
第三电源转换模块，用于将输入+5V电压转为隔离+15V和-15V电压，为模拟选择开关和运放跟随电路供电；
第四电源转换模块，用于将输入+5V电压分别转为模拟+5V电压，为AD转换电路供电。
进一步，当另一上位机需要采用CAN总线控制目标电源时，微控制器外扩独立CAN控制器，独立CAN控制器通过第二数字隔离器和第二总线收发器与该上位机通讯。
独立CAN控制器、第二数字隔离器和第二总线收发器连接有第五电源转换模块，第五电源转换模块用于将输入+5V电压转为隔离+5V电压，为独立CAN控制器、第二数字隔离器和第二总线收发器供电。
进一步，微控制器的型号为C8051F040。
进一步，微控制器包括DA转换模块、GPIO接口、CAN接口、UART接口和SPI串行外设接口。
进一步，微控制器接通过GPIO接口分别接收目标电源的过压、过流报警信息，通过GPIO接口进行电源使能开关控制。
进一步，显示器显示的工作状态包括：电源输出电压值、电源输出电流值、电源的使能开关的开关状态、当前工作状态是本端控制还是远端控制、过压保护启动时显示过压报警、过流保护启动时显示过流报警。
进一步，编码器对应两路开关量输入，根据比较操作前和操作后的两个输入状态组合值来共同确定本次旋转为顺时针还是逆时针旋转。
进一步，键盘采用16键键盘，具体包括：0～9十个数字键、小数点、回删、确定、电压、电流和输出；
键盘的信号线上连接有电容，电容接地。
进一步，AD转换电路与微控制器之间的数据交互通过微控制器的SPI外设接口进行全双工通信。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种嵌入式电源健康检测及管理系统，包括微控制器、电源模块、显示器、人机交互界面和上位机；目标电源、电源模块、显示器、人机交互界面及上位机分别与微控制器连接；人机交互界面包括本/远端程控切换控制钮、电源编号、键盘及编码器。通过本/远端程控切换控制钮切换管理模式，管理模式分为本端控制和远端程控，两状态互斥。两种控制模式下，目标电源预设置输出电压及电流的上限值，通过精密电阻调理电路、模拟选择开关、运放跟随电路和AD转换电路的处理后，微控制器可实时监测并显示目标电源的工作状态。当前设置电压/电流超过上限值时，显示器将会给出操作无效提示信息；当微控制器接收到过压或限流信号时，表明此时电源处于过压/限流状态，可发出控制信号，关断电源输出，并将电源的工作状态及报警信息显示到显示屏上。本端控制时，支持键盘操作设置电压、电流值，并可微调，测量并控制电源输出；当通过键盘设置的电压、电流超过上限值时，显示器将会给出操作无效提示信息；当微控制器接收到目标电源的过压或限流信号，随即发出控制信号，关断电源输出，并将报警信息显示到显示屏上。远端程控时，支持通过CAN总线将多个设备组成分布式网络，由CAN总线完成上位机与模块间电源参数互传，测量并控制电源输出。本发明可以实现计算机电源系统的在线健康检测和管理，该管理模块体积小，可嵌入到计算机等电子设备内部，对设备的电源系统进行实时的监控和智能管理。
进一步，电源模块设计为四部分，模拟电路部分与数字电路部分独立供电，然后根据相连接的电路或器件对电压的需求进行转换，转换后为各电路或器件供电，减小了电源环路面积，同时也可以有效减少相互间的串扰。
进一步，微控制器接通过2个GPIO引脚分别接收目标电源的过压、过流报警信息，再通过1个GPIO接口进行电源使能开关控制，及时关断电压、电流输出，并在显示器上显示报警信息。可以及时地提醒工作人员并做出动作。
进一步，编码器对应两路GPIO，需要根据这两路开关量的输入状态值来确定本次旋转为顺时针还是逆时针旋转，即本次旋转为增加还是减少操作。但是每次旋转操作之后的状态值都不确定，所以就需要根据旋钮操作前后的两个输入状态值来共同确定本次操作为增加或减少操作。
附图说明
图1为本发明的嵌入式电源健康检测及管理系统的原理框图；
图2为本发明的编码器状态机变换图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明公开了一种嵌入式电源健康检测及管理系统，包括微控制器、电源模块、显示器、人机交互界面和上位机；目标电源、电源模块、显示器、人机交互界面及上位机分别与微控制器连接；目标电源通过精密电阻调理电路、模拟选择开关、运放跟随电路和AD转换电路与微控制器连接；微控制器通过第一数字隔离器和第一总线收发器与上位机通讯；人机交互界面包括本/远端程控切换控制钮、电源编号、键盘及编码器。
微控制器型号为C8051F040，该模块是核心单元。
更优地，当另一上位机需要同时采用CAN总线控制目标电源时，根据80C51微控制器的特性，可设计基于地址/数据总线分时复用的独立CAN控制器SJA1000与微控制器进行通信，微控制器工作在Intel模式下，通过微控制器的8个GPIO引脚、RST复位信号、ALE信号、CS片选信号、RD读控制信号和WR写控制信号分别与独立CAN控制器连接进行地址/数据交互。
外部电源输入供电为5V，为显示器和电源模块供电。电源模块具体包括第一电源转换模块、第二电源转换模块、第三电源转换模块、第四电源转换模块和第五电源转换模块。
第一电源转换模块的型号为LT1764-3.3，将输入+5V转为3.3V为微控制器供电；第二电源转换模块和第五电源转换模块的型号为TMR0511，将输入+5V分别转为隔离5V，为两路CAN收发器、数字隔离器和独立CAN控制器供电；第四电源转换模块的型号为TMR0511，将输入+5V分别转为模拟5V，为AD转换电路供电；第三电源转换模块的型号为TMR3-0523，将输入+5V转为隔离+15V和-15V，为模拟选择开关和运放跟随电路供电。
人机交互界面，包括本/远端程控切换控制、电源编号、16键键盘及编码器。人机交互界面均通过GPIO端口实现：本/远端程控切换控制采用1个GPIO引脚实现，当微控制器采集到的信号为高/低电平时，微控制器判断为本端/远端程控，三态时为无效状态；电源编号采用4个GPIO引脚实现，可分别对应16(24)块目标电源。
16键键盘为独立式键盘，直接由微控制器的16个GPIO引脚构成单个按键电路，由于独立按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，配置灵活，软件简单，使用方便。键盘内容自定义，包括数字0～9、小数点、回删、确定、电压、电流、输出等，通过键盘设定需要的电压/电流输出值，经过DA转换可使目标电源输出预置值；编码器的功能是当通过键盘输入一定数值的电压或电流值之后，通过编码器达到微调电压或电流值的目的。编码器对应两路开关量输入，根据比较操作前和操作后的两个输入状态组合值来共同确定本次旋转为顺时针还是逆时针旋转，即数值增大或减少。
目标电源的三路模拟量分别为本端电压采集、远端电压采集和电流采集，电流采集实际上是将电流转换为电压实现，其量程分别为0～50V、0～5V、0～5V，而AD转换电路的输入量程设计值为单极性0～10V，所以本端电压采集需先经过精密电阻调理电路，将电压调理至0～10V有效范围内进行采集，其余两路可直接送入AD转换电路进行采集。
模拟选择开关型号为ADG408BRZ，其作用是分时实现多路输入信号的循采功能，即通过微控制器输出的通道选择信号，循环选择三路电压采集的其中一路进行输出，通道选择信号采用3个GPIO引脚实现。随后信号经过运放跟随电路进行缓冲及隔离，而后将电压采集信号送入AD转换电路进行采集，AD转换电路与微控制器之间的数据交互通过微控制器的SPI外设接口进行全双工通信，其中，微控制器作为主器件，AD转换电路作为从器件，采用3线工作方式，主输入从输出，从AD转换电路到微控制器进行串行数据传输。
AD转换器型号为AD977ABR，为一款高速、低功耗的16位高精度模数转换器，最高采样频率可达100kHz。运放跟随电路的型号为OP27GS。
DA转换功能采用微控制器内置的2路12位的DA转换器实现，将电压和电流信号经数模转换器输出至目标电源，使得目标电源输出预置值。
微控制器内置一路CAN2.0A控制器，CAN总线信号经数字隔离器和总线收发器实现与上位机的通信。将采集到的目标电源的三路数值传送到上位机上，供远程的工作人员查看。
数字隔离器的型号为ISO7221，总线收发器的型号为PCA82C250。
微控制器接通过2个GPIO引脚分别接收目标电源的过压、过流报警信息，再通过1个GPIO接口进行电源使能开关控制，及时关断电压、电流输出，并在彩色液晶显示屏上显示报警信息。
彩色液晶显示屏选用一款5.0英寸、分辨率为480×272的工业级显示屏，LED背光，工作电压为+5V，工作电流为250mA，工作温度为-20℃～+70℃。显示屏与微控制器通过UART接口进行数据传输，串口波特率最高可达691200bps。显示屏启动界面可根据的需求进行个性化设置，正常工作界面的显示内容包括“电压设定”、“电流设定”、“过压”、“限流”、“电压输出”、“电流输出”、“开关使能”、“工作电源”、“当前数值”、“当前设定”和“工作模式”，当过压保护启动时显示过压报警，当过流保护启动时显示过流报警，当电压/电流输入超量程时显示无效信息等。
现有的现象：模块采用的按键为轻触机械开关，一般情况下，按键的触点是断开的，当按下按键时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定的接通，在断开时也不会立即断开，因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随一连串的抖动。另外在按键的操作时，也会遇到按键粘连的现象。
本发明的解决办法是：1、通过简单的硬件电路滤波以减少信号线上的毛刺，做法是在信号线上接0.1uF电容到地滤除干扰毛刺；2、通过软件消除抖动，按键是利用机械触点的闭合和断开作用输出高低电平，抖动的时间由按键的机械特性决定，一般为5～10ms。当按键按下，软件检测到按键闭合状态时，先用软件延时10ms，避开抖动过程，再读取按键的状态，记录数值，如此进行两次操作，当两次检测到的数值一样时，模块认为有效值。3、通过软件延时方法防止按键粘连，采用等待按键释放的处理方法进行消除，防止同一信号被多次监测。
编码器对应两路GPIO，需要根据这两路开关量的输入状态值来确定本次旋转为顺时针还是逆时针旋转，即本次旋转为增加还是减少操作，即当键盘输入一定数值的电压或电流值之后，通过编码器达到微调电压或电流值的目的。但是每次旋转操作之后的状态值都不确定，所以就需要根据旋钮操作前后的两个输入状态值来共同确定本次操作为增加或减少操作。经过分析验证，编码器按照下面的状态机进行变换。状态0x0、0x1、0x2和0x3分别为开关量的状态值。
由图2可知，编码器按照下述规则变换：
(1)如果上次状态值为0x0，本次的状态值为0x1，则本次旋钮操作为增加操作，本次状态值为0x2则本次旋钮操作为减少操作；
(2)如果上次状态值为0x1，本次的状态值为0x3，则本次旋钮操作为增加操作，本次状态值为0x0则本次旋钮操作为减少操作；
(3)如果上次状态值为0x3，本次的状态值为0x2，则本次旋钮操作为增加操作，本次状态值为0x1则本次旋钮操作为减少操作；
(4)如果上次状态值为0x2，本次的状态值为0x0，则本次旋钮操作为增加操作，本次状态值为0x3则本次旋钮操作为减少操作。

Claims (10)

1.一种嵌入式电源健康检测及管理系统，其特征在于，包括微控制器、电源模块、显示器、人机交互界面和上位机；目标电源、电源模块、显示器、人机交互界面及上位机分别与微控制器连接；
目标电源通过精密电阻调理电路、模拟选择开关、运放跟随电路和AD转换电路与微控制器连接；
微控制器通过第一数字隔离器和第一总线收发器与上位机通讯；
人机交互界面包括本/远端程控切换控制钮、电源编号、键盘及编码器。
2.根据权利要求1所述的嵌入式电源健康检测及管理系统，其特征在于，电源模块包括第一电源转换模块、第二电源转换模块、第三电源转换模块和第四电源转换模块；
第一电源转换模块，用于将输入+5V电压转为+3.3V电压，为微控制器供电；
第二电源转换模块，用于将输入+5V电压转为隔离+5V电压，为第一总线收发器和第一数字隔离器供电；
第三电源转换模块，用于将输入+5V电压转为隔离+15V和-15V电压，为模拟选择开关和运放跟随电路供电；
第四电源转换模块，用于将输入+5V电压分别转为模拟+5V电压，为AD转换电路供电。
3.根据权利要求2所述的嵌入式电源健康检测及管理系统，其特征在于，当另一上位机需要采用CAN总线控制目标电源时，微控制器外扩独立CAN控制器，独立CAN控制器通过第二数字隔离器和第二总线收发器与该上位机通讯。
独立CAN控制器、第二数字隔离器和第二总线收发器连接有第五电源转换模块，第五电源转换模块用于将输入+5V电压转为隔离+5V电压，为独立CAN控制器、第二数字隔离器和第二总线收发器供电。
4.根据权利要求1所述的嵌入式电源健康检测及管理系统，其特征在于，微控制器的型号为C8051F040。
5.根据权利要求1所述的嵌入式电源健康检测及管理系统，其特征在于，微控制器包括DA转换模块、GPIO接口、CAN接口、UART接口和SPI串行外设接口。
6.根据权利要求5所述的嵌入式电源健康检测及管理系统，其特征在于，微控制器接通过GPIO接口分别接收目标电源的过压、过流报警信息，通过GPIO接口进行电源使能开关控制。
7.根据权利要求1所述的嵌入式电源健康检测及管理系统，其特征在于，显示器显示的工作状态包括：电源输出电压值、电源输出电流值、电源的使能开关的开关状态、当前工作状态是本端控制还是远端控制、过压保护启动时显示过压报警、过流保护启动时显示过流报警。
8.根据权利要求1所述的嵌入式电源健康检测及管理系统，其特征在于，编码器对应两路开关量输入，根据比较操作前和操作后的两个输入状态组合值来共同确定本次旋转为顺时针还是逆时针旋转。
9.根据权利要求1所述的嵌入式电源健康检测及管理系统，其特征在于，键盘采用16键键盘，具体包括：0～9十个数字键、小数点、回删、确定、电压、电流和输出；
键盘的信号线上连接有电容，电容接地。
10.根据权利要求1所述的嵌入式电源健康检测及管理系统，其特征在于，AD转换电路与微控制器之间的数据交互通过微控制器的SPI外设接口进行全双工通信。
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