单相消防应急电源系统控制器设计方案

引言

社会生活的现代化对供电的要求越来越高，许多大型建筑尤其是公共建筑设施如机场、高速公路、隧道、商场、办公大楼、展览中心等，一旦供电系统产生突发故障，会产生许多意想不到的状况，给人们正常的生产生活造成恶劣影响，甚至带来人员伤亡。电力故障突发性强，往往不以人们的意志为转移。在这种情况下，备用电源就显得异常重要。《高层民用建筑设计防火规定》，《民用建筑电器设计规范》就严格规定：“一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时损坏。一级负荷重要的负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源”[1][2]。消防应急电源，专门为消防设备和一级负荷或照明用电设计，它是建筑物内出现紧急情况下，为疏散照明提供集中供电的应急专用电源设备。

1 系统的原理和组成

应急电源也称EPS，全称是Emergency Power Supply。消防应急电源是用于消防，允许短时电源中断的应急电源装置。作为消防应急电源系统，当建筑物发生火灾时，为疏散照明和其它重要的一级供电负荷提供集中供电，消防应急电源系统组成如图1所示，主要包括整流充电器、蓄电池组、逆变器、互投装置等部分。其中逆变器是功率核心，主要采用SPWM（正弦脉宽调制）技术。整流器的作用是将交流电变成直流电，实现对蓄电池智能充电以储存能量。逆变器的作用则是将蓄电池储存的直流电变换成工频交流电，供给负载设备稳定持续的电力。互投装置保证负载在市电及逆变器输出间的顺利切换。系统控制器对整个系统进行实时监控，可以发出声光报警信号，同时可通过串行口（RS485总线或CAN总线）与计算机或Modem连接，上位机采用组态软件MCGS实现对供电系统的微机监控和远程监控。

工作原理如图2所示。在正常情况时，由交流市电经过互投装置给重要负载供电，当交流市电断电后，互投装置将立即切换至逆变器供电方式，启动逆变器给负载装置供电，供电时间由蓄电池的容量决定，当市电电压恢复时，将由应急电源供电恢复为市电供电[3][4]。

图1　EPS应急电源的系统组成

拥有Modbus通信模块的控制器即可用作标准Modbus设备，以主(即上位机)—从(即下位机)方式与上位机通讯。可将若干台控制器或其它Modbus设备通过ＲＳ485总线组建成Modbus网络，统一纳入上位机监控平台,实现网络化远程监控。

图2 消防应急电源工作原理

2 主电路硬件设计

系统采用Atmega16作为控制器的CPU。Atmega16单片机是AVR系列单片机中的高档产品，集成了许多功能，省却了外扩电路，如：具有16K字节的系统内可编程Flash，512字节的EEPROM可以保存故障记录和操作记录，1K字节的内部SRAM，可以通过SPI实现系统内编程，足够系统使用，不用外扩存储器。可以产生10位的PWM波，足够系统要求的精度和频率。一路SPI接口与PC机通信和蓄电池板通信。内部集成看门狗定时器，无需外接看门狗芯片。其具有8路模拟通道。

根据单相消防应急电源系统要求，以及分析的控制器功能，设计出控制器硬件，包括以下部分。控制器总体硬件结构如图3所示：

图3 系统硬件总体结构框图

2.1 时钟

由于系统中需要记录应急启动时间和应急持续时间，在主菜单中也有系统年月日和时间显示，所以系统中需要设计时钟电路。控制器选用DS1302作为时钟，因为DS1302是DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

2.2 JTAG

Atmega16具有JTAG 接口（与IEEE 1149.1标准兼容），可以通过JTAG接口实现对Flash, EEPROM, 熔丝位和锁定位的编程，这给程序调试带来了及大的方便。

2.3 键盘中断

根据系统的要求设计了三个按键即复位键、翻屏键和确认键，所以采用独立式按键结。为了保证实时性键盘子程序都通过中断程序处理对MCU的三个I/O口进行扫描。

2.4 液晶显示

本系统采用的液晶是M126411SLYH-J3，它能显示4行8列，蓝色的底色。它是不带字库的，接受的是点阵，显示一个汉字需要32个字节的数据。该液晶和MCU相连的有吧根数据线、R/W是读写控制线、D/I是数据和指令的方向控制线。自身还有E使能控制线和复位线。

2.5 信号采集

信号采集电路分为数字信号和模拟信号采集两部分。数字信号采集就是开关量要检测，比如市电接触器、逆变接触器、中间继电器、直流接触器等的返回接点，强启、自动/手动、充电等开关和各输出支路的检测都可以转换成检测开关量的方式来判断它们的状态变化。开关量检测单元电路有光电耦合器、多路模拟转换开关组成，同时在光电耦合器的前端为每个开关返回节点接了一只发光二极管，当节点合上时，相应的二极管发光从而能直观判断出来。

模拟信号采集主要包括对市电电压、电流，蓄电池的电压、电流和环境温度的监测。对这些模拟量的检测通过TLC2543采集，TLC2543是TI公司的串行A/D，它拥有12位的高精度，11路通道，快达10us的转换时间。有3个控制输入端片选/CS、输入输出时钟I/O CLOCK和地址输入（数据输入）AIN。它可以通过一个串行三态输出与处理器或外设的串口进行通讯。

2.6 声光报警

为了方便用户，控制器配有指示灯和蜂鸣器。四个灯是键盘上的四个指示灯（主电、应急、充电、故障），当出现应急或故障时开通蜂鸣器。用TLP521-4隔离光偶芯片作为驱动并防止干扰MCU。

2.7 通讯接口

以Modbus协议串行通信时一帧收发的过程和原理如下：数据发送的过程(以发送5到8 位数据位的帧为例)是:程序检测到数据寄存器空标志位UDRE置位时,CPU通过将待发送的数据写入UDR发送数据寄存器来加载发送缓冲器，缓冲的数据待移位寄存器准备就绪时被移入

图4 通讯流程图

其中,再由硬件自动发送，并在TXD引脚上出现。数据接收的过程则与发送相反。数据发送或接收都可用轮询和中断两种方式[5]。远程串行通信的系统结构见图4。

3 上位机的实现

上位机一般指PC机或其他功能较强的嵌入式系统，主要用来处理其他设备（下位机）发送来的数据，并对其发号司令，上位机是相对于下位机而言，一般情况下一个上位机对应几个下位机，把下位机的数据转发给服务器或者把服务器的控制信息发送给下位机，有时候上位机本身就充当服务器。本系统需要用上位机处理控制器传来的各种数据，比如对数据的监测存储等。

3.1 工控软件MCGS的介绍

MCGS (Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft（各种32位Windows平台上）运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。

3.2 工控软件MCGS在本设计的实现

工控软件MCGS在本设计中最主要的作用就的数据检测，仿真测试方法如下：先用一根RS232串行通信线在本地近距离连接上位ＰＣ机和测试仪，在MCGS的设备组态窗口中选择通用串口父设备,再给它添加“莫迪康RTU”子设备，并详细配置其对应数据对象(实时数据库中)、寄存器地址等参量,配置及仿真测试界面见图5。由图5可见，选中“设备调试”选项卡后通道值一栏已填满实际数据，即组态软件已采集到所连下位设备发来的数据。因收发数据传输的距离近，故该微机监控系统的实时性很好，几乎无时间延迟和网络传输滞后问题。现场运行表明，该系统稳定可靠，虽因数据串行传输而有时会出现网络传输延迟，但还不至于丢失数据，原因是程序中采用标志变量控制机制，即用一个布尔型变量来标志一帧数据是否收发结束，只有按协议规定完整收发一个数据帧后标志位的值才会变化，程序才会继续向下执行，否则程序处于等待状态直到网络传输延迟结束。这就比简单按照网络传输延迟来计算帧间隔时间要可靠得多，从而保证数据不会丢失。

图5　MCGS通讯测试界面

4 结论

目前，单相应急电源已广泛的用于消防系统中，是一些智能楼宇必不可却的设备之一。本课题设计一个以Atmega16为核心CPU的单相消防应急电源系统控制器，作为一个智能控制器，它实现了多种功能，为整个系统可靠性工作提供了保障。控制器能够很好的对市电和蓄电池进行检测，可以通过485总线，通过Modbus协议将数据发送到几百米的安全宽敞的总的控制台，然后通过上位机组态软件与AVR单片机实时通信。