摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水下觀測設(shè)備電能供給狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，提出了一種基于單片機(jī)和LabVIEW的遠(yuǎn)程電力監(jiān)控方案。設(shè)計(jì)了電能管理控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和接駁盒節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用分級(jí)控制策略，通過光以太網(wǎng)進(jìn)行通信，采用電壓傳感器和電能控制模塊相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的管理控制。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定地運(yùn)行，為通信系統(tǒng)長期運(yùn)行提供了保證。

0 引言

近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步，水下觀測平臺(tái)已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)[1-3]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)離岸基的水下各種信息連續(xù)不斷地監(jiān)測，必須利用海底光纜將岸基電能源源不斷地送到接駁盒和觀測傳感器中，使各種遠(yuǎn)程接駁盒內(nèi)部設(shè)備能夠連續(xù)不間斷地運(yùn)行。因此觀測網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)將成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分[4-5]。

目前建立的觀測網(wǎng)絡(luò)多采用恒壓供電方式，利用海水作為回路進(jìn)行電能的傳輸，將岸基設(shè)置為陽極，海水和水下接駁盒設(shè)置為陰極，利用光纜中的銅導(dǎo)線將數(shù)千伏的高壓電能傳輸?shù)剿赂鱾€(gè)接駁盒，再利用接駁盒中的DC/DC模塊將高壓直流電能轉(zhuǎn)換為可供各種傳感設(shè)備使用的低壓直流電能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在目前的觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，全部采用的是直流輸電系統(tǒng)。直流輸電系統(tǒng)相對(duì)于交流供電系統(tǒng)主要有線路造價(jià)低、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)。在直流輸電系統(tǒng)中又分為恒壓供電和恒流供電兩種方式。對(duì)于觀測網(wǎng)絡(luò)，部分系統(tǒng)采用恒壓供電，但其供電系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)置有大量的控制裝置和復(fù)雜龐大的電源變控系統(tǒng)，并且存在故障隔離難度大、不適合遠(yuǎn)距離供電、變換器復(fù)雜等缺點(diǎn)，沒有得到廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于恒壓供電方式，恒流供電具有故障自動(dòng)隔離、安全可靠、供電距離遠(yuǎn)、可帶負(fù)載多、轉(zhuǎn)換電路簡單、需高壓轉(zhuǎn)換電路等優(yōu)點(diǎn)，因此，本課題采用串聯(lián)恒流供電方式[6]。

觀測網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電能傳輸過程的實(shí)時(shí)在線電力監(jiān)控，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示?；具h(yuǎn)程電力監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測網(wǎng)絡(luò)接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和觀測傳感器的集中監(jiān)測和控制，是系統(tǒng)的總控制中心。接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的水下分控制中心，也是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵裝置。接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集所連接的各個(gè)傳感器的工作電壓、電流及節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的工作溫度，并把這些原始采集數(shù)據(jù)通過光以太網(wǎng)傳送至基站遠(yuǎn)程電力監(jiān)控中心。接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)還能夠接收基站監(jiān)控中心下發(fā)的各種控制指令，并通過節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的單片機(jī)微控制器控制機(jī)械繼電器的開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)觀測傳感器的遠(yuǎn)程遙控供電控制[7-8]。

2 水下接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 接駁盒節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

圖2所示為接駁盒電能分配節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)采用兩個(gè)控制模塊進(jìn)行電能的控制，采用三級(jí)控制策略對(duì)各種傳感設(shè)備、供電模塊進(jìn)行通、斷控制。第一級(jí)別是岸基工作人員通過基站監(jiān)控中心向接駁盒內(nèi)部ADAM4060進(jìn)行控制命令的下達(dá)，ADAM4060控制模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作，完成對(duì)傳感設(shè)備和供電模塊的控制。第二級(jí)別是C8051F020主控模塊自主完成對(duì)傳感設(shè)備的控制，沒有人工的參與，首先在前期的C8051F020軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)定相應(yīng)采集電壓的閾值，在主控模塊工作中通過模擬外設(shè)ADC0進(jìn)行各種傳感模塊電壓的采集，如果采集到的電壓不在閾值范圍之內(nèi)則觸發(fā)P1口控制繼電器工作，進(jìn)行斷開命令，防止電壓過大使設(shè)備損壞，同時(shí)向岸基發(fā)送相應(yīng)的控制信息。第三級(jí)別主要由供電模塊自身硬件電路完成。

2.2 接駁盒節(jié)點(diǎn)電量測量模塊

觀測網(wǎng)絡(luò)電源模塊提供的電壓是標(biāo)準(zhǔn)的5 V、12 V、24 V，即整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的輸出電壓范圍為5 V~12 V，可以利用電量隔離傳感器進(jìn)行電壓的隔離和變換，取得與被測電壓成正比的0~5 V信號(hào)電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換由采集模塊接收，然后通過傳輸模塊傳送給監(jiān)控中心。觀測網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)中，采用直流供電技術(shù)進(jìn)行對(duì)接駁盒內(nèi)部各種設(shè)備的供電。為了實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)和低壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的完全隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性，系統(tǒng)采用WBV121G07電壓隔離傳感器進(jìn)行供電設(shè)備直流電壓的檢測，該電壓隔離傳感器采用線性光電隔離原理，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成跟蹤輸入信號(hào)的、有一定隔離能力的標(biāo)準(zhǔn)跟蹤電壓(VG)輸出[9]。如果要改變傳感器設(shè)備供電電壓測量范圍，可以在電量隔離傳感器的某一輸入端串入分壓電阻，電壓測量通過分壓電阻可以在不更換傳感器的情況下改變測量范圍。

2.3 接駁盒節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程控制

開關(guān)量輸出通道一般用于繼電器、電磁閥門等模塊的控制，在觀測網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)主要為了實(shí)現(xiàn)各種科學(xué)儀器的電能分配和電能的保護(hù)，采用繼電器輸出方式來實(shí)現(xiàn)電能的分配控制。繼電器輸出模塊工作原理是將單片機(jī)內(nèi)部的輸出數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成繼電器觸點(diǎn)的不同動(dòng)作。單片機(jī)輸出信號(hào)“1”對(duì)應(yīng)繼電器觸點(diǎn)閉合，單片機(jī)輸出信號(hào)“0”對(duì)應(yīng)繼電器觸點(diǎn)打開。圖3為某一路輸出模塊電路設(shè)計(jì)圖。開關(guān)量模塊采用光耦隔離，可以實(shí)現(xiàn)繼電器和單片機(jī)的隔離。大功率三極管用來驅(qū)動(dòng)繼電器工作，同時(shí)利用發(fā)光二極管來指示工作狀態(tài)。

3 遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

觀測網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要包括基站主程序和接駁盒主程序兩大部分[10-11]?；局鞒绦蛲ㄟ^基站前置機(jī)與接駁盒主程序通信，把從接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與換算、界面顯示及數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)等[12]。接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主程序用于實(shí)現(xiàn)各觀測傳感器的A/D數(shù)據(jù)采集和機(jī)械繼電器開關(guān)控制。

3.1 接駁盒節(jié)點(diǎn)程序

接駁盒節(jié)點(diǎn)主控程序采用C語言開發(fā)設(shè)計(jì)，其程序流程如圖4所示。C805lF020控制程序主要分為初始化程序、主循環(huán)程序、采樣中斷子程序和通信中斷子程序四個(gè)模塊。初始化程序是對(duì)C8051F020單片機(jī)的一系列初值進(jìn)行設(shè)定。

主循環(huán)模塊主要包含指令執(zhí)行函數(shù)和數(shù)據(jù)打包上傳函數(shù)。指令執(zhí)行函數(shù)對(duì)接收到的上位機(jī)指令進(jìn)行解析，若不符合通信協(xié)議，則返回主循環(huán);若符合通信協(xié)議，則執(zhí)行相應(yīng)的指令。數(shù)據(jù)打包上傳函數(shù)對(duì)要發(fā)送到上位機(jī)的各路采集信號(hào)進(jìn)行打包封裝，送到發(fā)送緩沖區(qū)由通信中斷子程序進(jìn)行處理。通信中斷子程序主要進(jìn)行上位機(jī)命令數(shù)據(jù)包的接收和下位機(jī)系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)包的上傳。采樣中斷子程序主要對(duì)循環(huán)采樣的各路數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷檢測和處理，并將采樣數(shù)據(jù)暫存。

3.2 岸基站控制臺(tái)程序

觀測網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)上位機(jī)軟件要實(shí)現(xiàn)對(duì)接駁盒內(nèi)電能參數(shù)進(jìn)行長期實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測，對(duì)超過閾值的情況報(bào)警，提供靈活的監(jiān)測方案。一般布置在岸基工作站。利用LabVIEW虛擬儀器可以開發(fā)出功能強(qiáng)大的上位機(jī)軟件，采用Modbus通信協(xié)議，通過RS-485串口實(shí)現(xiàn)與接駁盒下位機(jī)系統(tǒng)的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測網(wǎng)絡(luò)電能參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中涉及到LabVIEW的多個(gè)功能和概念，主要包括枚舉型、事件結(jié)構(gòu)、通知器、狀態(tài)機(jī)、生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式、While循環(huán)等。整個(gè)上位機(jī)軟件充分利用了LabVIEW的并行處理優(yōu)勢，在以隊(duì)列消息處理器為模板的基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，隊(duì)列消息處理器用于進(jìn)行多個(gè)任務(wù)并行執(zhí)行的設(shè)計(jì)，可以在進(jìn)行數(shù)據(jù)連續(xù)采集和存儲(chǔ)任務(wù)的同時(shí)監(jiān)控用戶界面事件。系統(tǒng)的程序框圖如圖5所示，可以看到系統(tǒng)由并行的5個(gè)循環(huán)組成，主要包括事件處理循環(huán)、UI消息循環(huán)、采集數(shù)據(jù)循環(huán)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)循環(huán)、顯示數(shù)據(jù)循環(huán)。事件處理循環(huán)(EHL)主要負(fù)責(zé)按用戶界面操作生成對(duì)應(yīng)的消息將事件生成消息傳送到UI消息循環(huán)。UI消息循環(huán)從事件處理循環(huán)接收消息同時(shí)將響應(yīng)消息送到其他消息處理循環(huán)(MHL)。采集數(shù)據(jù)循環(huán)主要進(jìn)行遠(yuǎn)程接駁盒內(nèi)部電能參數(shù)的采集。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)循環(huán)主要進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的記錄。顯示數(shù)據(jù)循環(huán)主要進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的處理和波形圖表的更新。

4 系統(tǒng)測試與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證觀測網(wǎng)電能管理系統(tǒng)能否有效地實(shí)現(xiàn)電能的管理控制，利用臺(tái)式機(jī)(其中帶有RS485接口)來進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的顯示，并在次級(jí)接駁盒接上各種傳感設(shè)備，如圖6所示。觀測網(wǎng)電能管理系統(tǒng)將采集的電能參數(shù)通過傳輸系統(tǒng)送到2M協(xié)轉(zhuǎn)口，并通過相應(yīng)的監(jiān)控軟件進(jìn)行顯示。

通過監(jiān)控中心上位機(jī)軟件界面可以看到采集到的遠(yuǎn)程接駁盒內(nèi)部監(jiān)測信息如圖7所示，顯示了接駁盒內(nèi)部的溫濕度和各種設(shè)備的電壓參數(shù)，同時(shí)按下監(jiān)控界面的程控?zé)艨刂瓢粹o，可以通過電能管理系統(tǒng)將水下程控?zé)舸蜷_，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的監(jiān)測控制。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用霍爾電流傳感器檢測觀測傳感器的工作電流，采用電阻分壓的方法測量工作電壓，采用熱敏電阻來測量接駁盒節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的工作溫度，并通過接駁盒內(nèi)部的機(jī)械繼電器開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了觀測傳感器的電能分配控制，初步實(shí)現(xiàn)了觀測網(wǎng)絡(luò)電能供給系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電能管理系統(tǒng)能提高觀測網(wǎng)絡(luò)電能供給的安全性和自動(dòng)化水平，從而為我國的深海海底觀測平臺(tái)建設(shè)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

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原標(biāo)題:基于單片機(jī)和LabVIEW的通信系統(tǒng)電能管理控制