基于ARM Cortex-M3的遠程監控智能電源系統設計

　　隨著當代科技的日益發展，數量巨大的各類設備的電源維護管理需要投入大量的人力、物力，像通信/ 電力設施所處環境越來越復雜，人煙稀少、交通不便、危險度高等都增大了維護的難度和費用。這對電源設備的監控管理提出了更高的要求。電源監控系統需要對系統中各狀態量進行監視，還必須能對各供電支路進行控制和管理。維護管理人員可遠程進行數據查詢、控制等維護工作，并可利用友好的人機界面方便地得到需要的信息。

　　數字化技術的發展表現出了傳統技術無法比擬的優勢，整個電源監控系統的信號采樣、處理、控制、通信等均可通過數字化技術實現。全數字化的控制技術可有效縮小設備的體積，降低設備的成本，但同時大大提高設備的可靠性、智能化和用戶體驗。隨著模塊智能化程度的提高，新型電源監控系統的維修性也得到了提高。

　　隨著嵌入式技術的發展，使用嵌入式實時操作系統是電源監控系統的必然選擇。一方面是因為嵌入式實時操作系統具有良好的可移植性和較高的可靠性;另一方面是因為隨著電源監控系統性能的不斷提升，僅靠傳統的單片機已無法適應新的需求。ARM 作為當今嵌入式技術的代表，不僅具有上述的所有優勢，且成本很低，具有很高的性價比。本文中設計的系統選用了TI 公司生產的LuminaryCortex-M3 系列ARM 中的LM3S9B96 芯片。

　　1 工作原理

　　圖1 以8 路用電設備的電源監控為例，給出了監控系統的原理框圖。

　　圖1 8 路電源監控系統原理框圖

　　8 路設備均從總電源處取電，各 供電支路的工作方式完全一樣。電源監控系統啟動之后，主芯片處于上電復位狀態，其GPIOF 的8 個I/O 引腳處于低電平，此時電控開關保持關斷狀態，即供電支路處于斷電狀態。當主芯片內核和各外設初始化成功后，通過其內部嵌入式程序控制GPIOF 的8 個I/O 引腳輸出變為高電平，相應地各供電支路處于通電狀態，開始正常工作。

　　采集模塊包含電流傳感器和分壓電路，電流傳感器可測得流過供電支路的電流值，分壓電路將供電支路的電壓值調整到主芯片ADC 采樣的范圍內，二者均為模擬值。檢測值經過AD 采樣后，可在主芯片內運算得到各供電支路的電流和電壓值，并與預設的電流和電壓門限進行比較。若在門限范圍內則表示該供電支路工作正常，而在門限范圍外則表示該供電支路發生了過流、過壓、欠壓等異常，主芯片通過將GPIOF 相應引腳的輸出變為低電平來自動給該支路斷電，在經過檢查排除故障后可通過上位機下發指令控制該供電支路通電。

　　上位機與嵌入式下位機通過以太網進行通信，上位機可向下位機下發指令控制指定供電支路的通斷，也可設置各供電支路的電流和電壓門限值。每隔一定的時間，各供電支路的電流、電壓值及各種正常/ 異常狀態由下位機發送至上位機，通過上位機顯控軟件可觀察各供電支路的工作狀態。

　　2 設計與實現

　　2.1 核心模塊

　　核心模塊采用TI 公司生產的Luminary Cortex-M3 系列ARM 中的LM3S9B96 芯片，該芯片具有80MHz 的運行速度，內部集成了大容量的256KB 單周期Flash ROM 和96KB 單周期SRAM,具有16 通道10bit 分辨率的AD 采樣模塊、支持;LwIP 協議的10/100M 自適應以太網模塊和豐富的I/O 接口。

　　LM3S9B96 有65 個I/O 接口，設計時選取GPIOF 組8 個I/O 接口作為控制引腳;各供電支路需要采集電壓和電流兩種值，16 通道AD 采樣模塊可滿足8 路供電支路的采樣需求;集成的MAC+PHY 外設也可實現與上位機的以太網通信;大容量的內置存儲空間為復雜的程序提供了合適的平臺。根據上述分析，LM3S9B96 芯片非常適合本監控系統，并可極大簡化電路設計。

　　2.2 控制模塊

　　各供電支路控制模塊的設計如圖2所示。根據各支路設備需要的電流值選擇合適的繼電器作為電子開關，并且在控制引腳和繼電器間加入光耦隔離保護及供電通斷指示燈。

　　當主芯片GPIOF 控制引腳為低電平時，LED 燈滅，繼電器3 腳輸入與5 腳輸出斷開，該供電支路斷電;當主芯片GPIOF 控制引腳為高電平時，光耦輸出為低電平，LED 燈亮，繼電器3 腳輸入與5腳輸出導通，該供電支路通電。