一種小型智能化UPS系統的嵌入式設計方案

2 軟件系統

2.1 軟件系統功能描述

智能UPS 電源的功能是基于硬件電路設計，利用軟件控制相應模塊來實現。如圖4 所示，軟件系統的主要功能為：

圖4 軟件功能說明圖

(1) 當市電正常供電時， 軟件系統通過獲取電池組信息來判斷是否對電池組充電，并監控電池組電壓和溫度，確保UPS 電源的正常工作。

(2) 當市電對電池組充電時， 中斷系統實時監測充電電流，出現異常時發出報警并停止充電以保護電池組。

(3) 當市電掉電時， 軟件系統控制主控芯片迅速給出相應控制信號，切換到電池組供電模式。

(4) 當UPS 電源工作在電池組供電模式時，中斷系統實時監控放電結束信號和電池組電壓，當電池組電能耗盡時，停止電池組供電。

(5) 當電池組電壓過低或電池組溫度異常時，軟件系統發出報警指示， 并且強制關閉UPS 系統，確保系統安全。

2.2 主控芯片的初始化

C8051F320 每個引腳都可以被配置為模擬輸入或數字I/O 引腳， 被選擇作為數字I/O 的引腳還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。此外數字交叉開關允許將內部數字系統資源映射到端口I/O 引腳。

用戶可以通過配置端口跳過寄存器(PnSKIP)、端口交叉開關寄存器(XBR0, XBR1)等寄存器來根據設計要求自由分配數字資源的功能引腳。

為了簡化硬件電路，主控芯片采用內部振蕩器作為時鐘基準。軟件初始化時則通過配置寄存器OSCICN 來選取內部時鐘基準。

2.3 中斷系統設計

由于市電檢測需要保證足夠的實時性，所以采用中斷方式來監測市電掉電信號。軟件上采用PCA模塊的輸入捕捉功能來捕獲信號的變化，從而提升系統的動態性能。PCA 模塊初始化程序如下：

void PCA_Init(void)

{

PCA0MD = 0x00;

PCA0CPM0 = 0x31;

PCA0CN = 0x40;

EIE1 = 0x10;

PCA0L = 0x00;

PCA0H = 0x00;

}

技術資料出處:電源學報

2.4 AD 轉換軟件設計

C8051F320 的AD 轉換單元支持最多17 路模擬輸入，從功能上滿足了設計要求。其軟件分為初始化和測量兩部分。初始化主要負責選擇電壓基準，配置ADC 模塊工作方式等，而測量部分程序則用來獲取UPS 工作時的電池組電壓、充電電流和電池組溫度并根據報警閾值對系統進行保護。

由于AD 轉換過程中會受到各種因素的干擾，因此程序中需要相應的誤差補償來確保數據的準確性。這些誤差補償參數可以通過估算得到理論值，然后根據多次試驗的實際數據進行修正得到合適的補償參數。

2.5 報警處理

當UPS 工作在電池組供電狀態且電池組電壓較低時(小于12 V)，軟件系統控制蜂鳴器報警，其程序如下：

if(battery_voltage12.0)

{

if(Discharge==1)

{

Buzzer_Low(2);

}

if(Discharge==1)

{

ET0=1;

TR0=1;

}

}

電池組溫度報警程序中設置了兩個溫度閾值，較低值為報警閾值(Temp_Alert)，用來控制蜂鳴器報警，警示用戶。較高值為停機閾值(Temp_Stop)，當溫度高于停機閾值時， 強制關閉系統以保護UPS 電源，其程序如下：

if(temp

{

Buzzer=1;

if(temp

{

Charge=0;

Discharge=0;

}

}

2.6 軟件系統總結

在硬件電路的基礎上通過對主控芯片的軟件進行設計，融合AD 轉換單元、中斷系統、PCA 計數器模塊等多個部分， 最終實現UPS 電源的功能：市電掉電后UPS 電源能持續給負載供電，并且切換時間小于10 ms;具有自保護措施，實現對UPS 電源的智能化管理;具備聲光預警功能，能夠直觀的提示用戶UPS 電源的工作狀況;良好的魯棒性，能較好的抵抗外界干擾。