智能一體化電源開關量監控模塊的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種智能一體化電源開關量監控模塊，包括主控芯片、JTAG接口電路、繼電器驅動電路、隔離電路、電源電路、選址電路和RS485接口電路；所述JTAG接口電路、繼電器驅動電路、隔離電路、電源電路、選址電路和RS485接口電路均與所述主控芯片相連接；八路開出繼電器通過所述繼電器驅動電路與所述主控芯片相連接，由所述主控芯片通過所述繼電器驅動電路驅動所述八路開出繼電器；40路隔離開關故障檢測信號通過隔離電路輸入至所述主控芯片。本發明的智能一體化電源開關量監控模塊，具有實時性好、精度高、易受控以及尺寸小、外圍電路簡單等優點。
【專利說明】智能一體化電源開關量監控模塊

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種智能一體化電源開關量監控模塊。

【背景技術】
[0002] 隨著智能電網建設、新能源的發展、軌道交通快速發展及居民用電智能化技術改 造等的不斷加大投資，市場需求量穩步增加，同時對電源產品的多樣性和靈活性要求也逐 步顯現，尤其在國家節能減排大局勢下，對電源產品的新技術應用要求較高。智能一體化電 源系統是專門為各類變電站、電廠等用戶開發的智能高頻開關電源系統，穩定可靠。系統采 用高可靠性、高效能模塊，可以提供穩定的電源輸出。現除廣泛應用于各種不同電壓等級的 變電站、電廠，也應用于國家重點工程如地鐵、油田、化工、冶金等。
[0003] 智能一體化電源監控系統由主監控以及交流、直流、開關量、絕緣監測、電池巡檢、 智能通信電源和逆變電源等監控單元組成，可實現智能一體化電源系統全部數據和信息的 統計、分析、管理及顯示等功能，并可通過各種規約與上位機通信，做到一體化電源綜合監 控、智能管理的功能。智能一體化電源系統能夠為全站交直流設備提供安全、可靠的工作電 源。該系統主要由ATS、充電單元、逆變單元、通信電源、蓄電池組以及各類監控管理模塊組 成，由各類功能單元的監控模塊組成的一體化電源監控系統采用分層分布架構，各功能測 控模塊采用一體化設計、一體化配置，實現一體化電源各子單元分散測控和集中管理，以及 對一體化電源系統運行狀態信息的實時監測。
[0004] 由于各監控單元模塊布局分散，監控信號種類繁多，開關量監控模塊便作為通信 管理子模塊將采集到的開關量數據進行處理并對外進行轉發。


【發明內容】

[0005] 本發明是為避免上述已有技術中存在的不足之處，提供一種實時性好、精度高、易 受控以及尺寸小、外圍電路簡單的智能一體化電源開關量監控模塊。
[0006] 本發明為解決技術問題采用以下技術方案。
[0007] 智能一體化電源開關量監控模塊，其結構特點是，包括主控芯片、JTAG接口電路、 繼電器驅動電路、隔離電路、電源電路、選址電路和RS485接口電路；
[0008] 所述JTAG接口電路、繼電器驅動電路、隔離電路、電源電路、選址電路和RS485接 口電路均與所述主控芯片相連接；八路開出繼電器通過所述繼電器驅動電路與所述主控芯 片相連接，由所述主控芯片通過所述繼電器驅動電路驅動所述八路開出繼電器；40路隔離 開關故障檢測信號通過隔離電路輸入至所述主控芯片；
[0009] 所述JTAG接口電路，用于使得主控芯片能夠在線下載程序并燒寫調試；
[0010] 所述繼電器驅動電路，用于使得主控芯片能夠驅動繼電器線圈；
[0011] 所述隔離電路，用于接入40路隔離開關故障檢測信號，并將隔離開關故障檢測信 號的外圍強電和干擾信號轉化為光信號，再將光信號轉化為主控芯片能夠接受的弱電和干 凈的信號；
[0012] 所述電源電路，用于為主控芯片提供正常穩定的+5V工作電源；
[0013] 所述選址電路，用于實現在多個開關量檢測模塊同時工作時讓主控芯片識別并區 分出不同開關量檢測模塊所采集的信號；
[0014] 所述RS485接口電路，用于將輸入的差分信號轉換為主控芯片能識別的TTL通訊 信號，實現與外圍設備正常通訊。
[0015] 本發明的智能一體化電源開關量監控模塊的結構特點也在于：
[0016] 如圖2所示，所述JTAG接口電路包括插接件JM1和電阻R1?R5,所述電阻R1? R5均與所述插接件JM1相連接。
[0017] 如圖3所示，所述繼電器驅動電路包括電阻R6?R12、R20?R28、繼電器驅動芯 片UH5 ;所述電阻R6?R12、R20?R28均與所述繼電器驅動芯片UH5相連接。
[0018] 如圖4所示，所述隔離電路包括電阻R29?R32、電容C1、電容C2、光耦Q1、二極管 D2和壓敏電阻RV1 ;所述電阻R29的一端與所述壓敏電阻RV1的一端相連接后與所述主控 芯片相連接，所述電阻R29的另一端依次通過所述電阻R30、電阻R31與所述光耦Q1相連 接；所述電容C1與所述二極管D2相互并聯連接后的一端連接在所述電阻R31和所述光耦 Q1之間，所述電容C1與所述二極管D2相互并聯連接后的另一端與所述所述壓敏電阻RV1 的另一端連接后接地；所述光耦Q1與主控芯片相連接；所述電阻R32的一端和電容C2的一 端均連接在所述光耦Q1與主控芯片的連接端上，所述電阻R32的另一端和電容C2的另一 端均接地。
[0019] 如圖5所示，所述電源電路包括降壓型脈寬控制DC/DC轉換器AP1501、電阻R13? R14、電容C3?C4、穩壓管D1和電感L1 ;所述電阻R13?R14、電容C3、穩壓管D1和電感L1 均與所述降壓型脈寬控制DC/DC轉換器AP1501相連接，所述電容C4通過所述電感L1與所 述降壓型脈寬控制DC/DC轉換器AP1501相連接。
[0020] 與已有技術相比，本發明有益效果體現在：
[0021] 本發明的智能一體化電源開關量監控模塊，核心處理模塊由NUC100LC1BN處理器 和相關輔助、隔離及驅動組成。電路按照功能可以分為隔離處理模塊、驅動模塊，下載模塊、 供電處理模塊、WTD模塊、地址編碼模塊、運放跟隨模塊、RS485通信接口模塊，可在監控系 統通中監控各類開關量狀態，并作相應輸出動作，保護電源系統的穩定工作。
[0022] 本發明的智能一體化電源開關量監控模塊，具有實時性好、精度高、易受控以及尺 寸小、外圍電路簡單等優點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明的智能一體化電源開關量監控模塊的結構框圖。
[0024] 圖2為本發明的智能一體化電源開關量監控模塊的下載燒寫JTAG調試接口（JTAG 接口電路）不意圖。
[0025] 圖3為本發明智能一體化電源開關量監控模塊的繼電器驅動電路的電路圖。
[0026] 圖4為本發明的智能一體化電源開關量監控模塊的隔離電路的電路圖。
[0027] 圖5為本發明的智能一體化電源開關量監控模塊的電源電路的電路圖。
[0028] 圖6為本發明的智能一體化電源開關量監控模塊的選址電路的電路圖。
[0029] 圖7為本發明的智能一體化電源開關量監控模塊的RS485接口電路的電路圖。
[0030] 以下通過【具體實施方式】，并結合附圖對本發明作進一步說明。

【具體實施方式】
[0031] 參見圖1-圖7,智能一體化電源開關量監控模塊包括主控芯片、JTAG接口電路、繼 電器驅動電路、隔離電路、電源電路、選址電路和RS485接口電路；
[0032] 所述JTAG接口電路、繼電器驅動電路、隔離電路、電源電路、選址電路和RS485接 口電路均與所述主控芯片相連接；八路開出繼電器通過所述繼電器驅動電路與所述主控芯 片相連接，由所述主控芯片通過所述繼電器驅動電路驅動所述八路開出繼電器；40路隔離 開關故障檢測信號通過隔離電路輸入至所述主控芯片；
[0033] 所述JTAG接口電路，用于使得主控芯片能夠在線下載程序并燒寫調試；
[0034] 所述繼電器驅動電路，用于使得主控芯片能夠驅動繼電器線圈；
[0035] 所述隔離電路，用于接入40路隔離開關故障檢測信號，并將隔離開關故障檢測信 號的外圍強電和干擾信號轉化為光信號，再將光信號轉化為主控芯片能夠接受的弱電和干 凈的信號；
[0036] 所述電源電路，用于為主控芯片提供正常穩定的+5V工作電源；
[0037] 所述選址電路，用于實現在多個開關量檢測模塊同時工作時讓主控芯片識別并區 分出不同開關量檢測模塊所采集的信號；
[0038] 所述RS485接口電路，用于將輸入的差分信號轉換為主控芯片能識別的TTL通訊 信號，實現與外圍設備正常通訊。
[0039] 如圖2所示，所述JTAG接口電路包括插接件JM1和電阻R1?R5,所述電阻R1? R5均與所述插接件JM1相連接。所述插接件JM1為C0N8_1D25,是一個8針插排，通過該接 口實現了主控芯片在線下載程序，燒寫調試，DEBUG所需要的JTAG接口，極大方便了程序的 編寫與生產調試。
[0040] 如圖3所示，所述繼電器驅動電路包括電阻R6?R12、R20?R28、繼電器驅動芯 片UH5 ;所述電阻R6?R12、R20?R28均與所述繼電器驅動芯片UH5相連接。
[0041] 如圖3所示，所述繼電器驅動芯片為達林頓驅動器ULN2803。R6?R12、R20分別 通過一個發光二極管與所述達林頓驅動器ULN2803相連接。共計有8個發光二極管，分別是 LED1?LED8。特別適用于低邏輯電平數字電路（諸如TTL, CMOS或PM0S/NM0S)和較高的 電流/電壓要求之間的接口，廣泛應用于計算機，工業用和消費類產品中的燈、繼電器、打 印錘或其它類似負載中。所有器件具有集電極開路輸出和續流箱位二極管，用于抑制躍變。 ULN2803的設計與標準TTL系列兼容，而ULN2804最適于6至15伏高電平CMOS或PM0S，具 有商耐壓、大電流的特點。
[0042] ULN2803驅動繼電器，輸出端直接接繼電器線圈一端，繼電器線圈的另一端接V+ 電源，你用的是5V繼電器，也就是繼電器線圈另一端接5V電源.ULN2803的9腳要接5V 正電源，片內有續流二極管.ULN2803的輸入端直接和單片機I/O相連，不必加電阻.單 片機輸出高電平就可驅動繼電器動作。
[0043] uln2803為八重達林頓晶體管陣列，腳1，2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,為輸入，對應的腳 18, 17,16, 15, 14, 13, 12, 11，為輸出。10腳為8路輸出的續流二極管公共端。輸入電壓5V， TTL和5V的CMOS電路可直接驅動。輸出500MA、50V。因為輸出是集電極開路，所以輸出接 負載，負載的另一端得接正電源。應用是9腳接地。當輸入為0時，輸出達林頓管截止，負 載無電流。輸入為高電平時，輸出達林頓管飽和，負載就有電流流入輸出口。10腳在驅動感 性負載時用的，驅動感性負載時10腳接負載電源+。
[0044] 如圖4所示，所述隔離電路包括電阻R29?R32、電容C1、電容C2、光耦Q1、二極管 D2和壓敏電阻RV1 ;所述電阻R29的一端與所述壓敏電阻RV1的一端相連接后與所述主控 芯片相連接，所述電阻R29的另一端依次通過所述電阻R30、電阻R31與所述光耦Q1相連 接；所述電容C1與所述二極管D2相互并聯連接后的一端連接在所述電阻R31和所述光耦 Q1之間，所述電容C1與所述二極管D2相互并聯連接后的另一端與所述所述壓敏電阻RV1 的另一端連接后接地；所述光耦Q1與主控芯片相連接；所述電阻R32的一端和電容C2的一 端均連接在所述光耦Q1與主控芯片的連接端上，所述電阻R32的另一端和電容C2的另一 端均接地。
[0045] 參見圖4實現了外圍強電和干擾信號轉化為光信號，再由光信號轉化為系統可接 受的弱電和干凈的信號，徹底阻斷外圍因素對主系統的影響作用。
[0046] 如圖5所示，所述電源電路包括降壓型脈寬控制DC/DC轉換器ΑΡ1501、電阻R13? R14、電容C3?C4、穩壓管D1和電感L1 ;所述電阻R13?R14、電容C3、穩壓管D1和電感L1 均與所述降壓型脈寬控制DC/DC轉換器ΑΡ1501相連接，所述電容C4通過所述電感L1與所 述降壓型脈寬控制DC/DC轉換器ΑΡ1501相連接。
[0047] 圖5為電源電路的電路圖，它能支持寬壓輸入40VDC?7. 5VDC輸入，能穩定輸出 5VDC，能供給主電路正常穩定的工作電源。
[0048] 如圖6所示，所述選址電路包括插接件J1?J4和芯片RP1 ;所述插接件J1?J4 均與所述芯片RP1相連接。
[0049] 參見圖6是選址電路的電路圖，它實現在多個開關量模塊同時工作時讓主監控系 統識別并區分出不同模塊采集信號，支持兩個2的4次方（即2 8個）數目的開關量模塊同 時正常工作；運行指示電路能實時反應出當前系統工作狀態，方便系統聯調及產品生產安 裝。實現多種相同模塊的區分工作，實現擴展和級聯協同工作。芯片RP1是貼片排阻，它主 要目的是為了防止干擾，增加電路的穩定性。提高總線的抗電磁干擾能力。
[0050] 如圖7所示，所述RS485接口電路包括RS485收發器U2、電阻R16?R19、電容C5? C7 ;所述電阻R16?R19、電容C5?C7均與所述RS485收發器U2相連接。
[0051] 參見圖7是RS485接口電路，U2為SP485EEN，它將輸入的差分信號轉換為主控芯 片能識別的TTL通訊信號，實現與外圍設備正常通訊。RS485模塊實現MCU的TTL電平通訊 信號轉化為RS485差分信號，大大延長其傳輸距離。
[0052] 如圖1所示，本發明的智能一體化電源開關量監控模塊，使用的是NUC100系列為 32位單片機，內建ARM Cortex-MO內核，用于工業控制及相關需要豐富信號通訊界面的應 用場合。實現的功能有：實現40路隔離開關故障檢測，合閘開關檢測數量可設置，8路繼電 器輸出，一路擴展AD，并通過RS485串行接口將檢測的信息傳送給主監控，作為主監控管理 電源系統和處理故障告警的依據。
[0053] Cortex-MO為ARM公司最新處理器內核并擁有與傳統8位元產品之匹敵的價格。 NUC100Cortex-M0內核系列最高可運行至50MHz外部時鐘，具有32K/64K/128K字節內建 Flash存儲器，4K/8K/16K字節內建SRAM。并內建有定時器，看門狗定時器，RTC，PDMA，UART， SPI/SSP，I2C，I 2 S，PWM定時器，GPI0，12位ADC，模擬比較器，低電壓檢測和節電偵測功 能。
[0054] 核心處理模塊由NUC100LC1BN處理器和相關輔助、隔離及驅動組成。電路按照功 能可以分為隔離處理模塊、驅動模塊，下載模塊、供電處理模塊、WTD模塊、地址編碼模塊、運 放跟隨模塊、RS485通信接口模塊。以RS485為通信口，將采集到的數據發送出來，并將接收 到的命令驅動繼電器控制外圍設備。電源電路輸入為交直流220V，輸出為直流24VDC。隔 離電路由光電信號轉換實現隔離內外電路的干擾。繼電器驅動電路由驅動芯片完成弱電信 號轉變強電信號。所述的WTD模塊實時監控主芯片工作狀態，如有異常，進行復位處理。選 址電路實現多種相同模塊的區分工作，實現擴展和級聯協同工作。所述的運放跟隨模塊實 現+5V電壓轉換為0?5V電壓，并由AD處理電路實時讀取模擬量信號數值。RS485通信接 口模塊將主控制芯片的TTL通信信號轉變為RS485差分信號。
[0055] 如圖2,外圍電路包括程序下載模塊（In-Circuit Programming)(即所述JTAG 接口電路），該模塊實現程序下載、燒寫與調試功能，它包括+5VDC供電和三個控制引腳 ICE-DAT、ICE-CK、ICE-RST三個引腳，實現編程機與目標機交叉編譯，DEBUG等等功能。復位 電路實現在系統上電時輸出一個脈沖信號給MCU，并使之復位，避免主程序指針跑飛，使之 進入主函數正常入口地址工作。晶振電路提供給主芯片持續的12MHz脈沖信號，內部供電 系統支持寬壓輸入40VDC?7. 5VDC輸入，能穩定輸出5VDC，能供給主電路正常穩定的工作 電源。選址電路實現在多個開關量模塊同時工作時讓主監控系統識別并區分出不同模塊采 集信號，支持兩個2的4次方（即2 8個）數目的開關量模塊同時正常工作；運行指示電路 能實時反應出當前系統工作狀態，方便系統聯調及產品生產安裝。WTD電路實現系統死機時 自恢復功能，主系統程序每隔一定時間發送特定脈沖信號給WTD，如果主系統程序跑飛或異 常不能正常工作時，WTD會監測出并讓主MCU復歸，讓系統程序自恢復正常工作。繼電器驅 動電路實現MCU的GPI0的弱灌拉電流，無法正常驅動繼電器線圈正常工作，需要通過驅動 管增強GPI0的驅動能力，使之正常驅動繼電器動作。隔離電路實現外圍強電干擾和破壞主 系統弱電系統的處理電路，其原理是讓外圍強電信號轉化為光信號，再由光信號轉為主系 統弱電信號，徹底隔離了強電對系統的影響作用。運放和跟隨器實現負壓抬高作用，MCU只 能采集〇?5V模擬量信號，但通過運放和跟隨器可以抬高+ - 5V模擬量電壓，轉化為MCU 可以識別的〇?5V信號。RS485模塊將輸入的差分信號轉換為主控芯片能識別的TTL通 訊信號，實現與外圍設備正常通訊。RS485模塊實現MCU的TTL電平通訊信號轉化為RS485 差分信號，大大延長其傳輸距離。
[0056] 本發明的智能一體化電源開關量監控模塊實現的功能有：（1)提供40路開關故障 檢測，合閘開關檢測數量可設置；（2)提供8路繼電器輸出，8路均可由用戶自己設置輸出內 容。可負荷1668￥4(25(^八(：1(^、10(^0054)，采用銀合金觸點技術 ；（3)通過1?485串行接 口將檢測的信息傳送給主監控，作為主監控管理電源系統和處理故障告警的依據；（4)開 關量檢測輸入采用隔離處理后的故障常開接點輸入或光耦0C輸入；（5)供電電壓交直流通 用，85 ?264VAC 或 120 ?370VDC。
[0057] 參見圖3實現了弱電驅動繼電器線圈的電路，并能通過其相應的LED指示燈方便 了解和判斷驅動那條線路。方便安裝和測試。
[0058] 參見圖4實現了外圍強電和干擾信號轉化為光信號，再由光信號轉化為系統可接 受的弱電和干凈的信號，徹底阻斷外圍因素對主系統的影響作用。
[0059] 參見圖5為電源供給系統實現電路，它能支持寬壓輸入40VDC?7. 5VDC輸入，能 穩定輸出5VDC，能供給主電路正常穩定的工作電源。
[0060] 參見圖6是選址電路的電路圖，它實現在多個開關量模塊同時工作時讓主監控系 統識別并區分出不同模塊采集信號，支持兩個2的4次方（即28個）數目的開關量模塊同 時正常工作。
[0061] 參見圖7實現了主芯片MCU的TTL電平通訊信號轉化為RS485差分信號，大大延 長其傳輸距離。
[〇〇62] 上面所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的構 思和范圍進行限定。在不脫離本發明設計構思的前提下，本領域普通人員對本發明的技術 方案做出的各種變型和改進，均應落入到本發明的保護范圍，本發明請求保護的技術內容， 已經全部記載在權利要求書中。
【權利要求】
1. 智能一體化電源開關量監控模塊，其特征是，包括主控芯片、JTAG接口電路、繼電器 驅動電路、隔離電路、電源電路、選址電路和RS485接口電路； 所述JTAG接口電路、繼電器驅動電路、隔離電路、電源電路、選址電路和RS485接口電 路均與所述主控芯片相連接；八路開出繼電器通過所述繼電器驅動電路與所述主控芯片相 連接，由所述主控芯片通過所述繼電器驅動電路驅動所述八路開出繼電器；40路隔離開關 故障檢測信號通過隔離電路輸入至所述主控芯片； 所述JTAG接口電路，用于使得主控芯片能夠在線下載程序并燒寫調試； 所述繼電器驅動電路，用于使得主控芯片能夠驅動繼電器線圈。 所述隔離電路，用于接入40路隔離開關故障檢測信號，并將隔離開關故障檢測信號的 外圍強電和干擾信號轉化為光信號，再將光信號轉化為主控芯片能夠接受的弱電和干凈的 信號； 所述電源電路，用于為主控芯片提供正常穩定的+5V工作電源； 所述選址電路，用于實現在多個開關量檢測模塊同時工作時讓主控芯片識別并區分出 不同開關量檢測模塊所采集的信號； 所述RS485接口電路，用于將輸入的差分信號轉換為主控芯片能識別的TTL通訊信號， 實現與外圍設備正常通訊。
2. 根據權利要求1所述的智能一體化電源開關量監控模塊，其特征是，（如圖2所示，） 所述JTAG接口電路包括插接件JM1和電阻R1?R5,所述電阻R1?R5均與所述插接件JM1 相連接。
3. 根據權利要求1所述的智能一體化電源開關量監控模塊，其特征是，（如圖3所示，） 所述繼電器驅動電路包括電阻R6?R12、R20?R28、繼電器驅動芯片UH5 ;所述電阻R6? R12、R20?R28均與所述繼電器驅動芯片UH5相連接。
4. 根據權利要求1所述的智能一體化電源開關量監控模塊，其特征是，（如圖4所示，） 所述隔離電路包括電阻R29?R32、電容C1、電容C2、光耦Q1、二極管D2和壓敏電阻RV1 ; 所述電阻R29的一端與所述壓敏電阻RV1的一端相連接后與所述主控芯片相連接，所述電 阻R29的另一端依次通過所述電阻R30、電阻R31與所述光耦Q1相連接；所述電容C1與所 述二極管D2相互并聯連接后的一端連接在所述電阻R31和所述光耦Q1之間，所述電容C1 與所述二極管D2相互并聯連接后的另一端與所述所述壓敏電阻RV1的另一端連接后接地； 所述光耦Q1與主控芯片相連接；所述電阻R32的一端和電容C2的一端均連接在所述光耦 Q1與主控芯片的連接端上，所述電阻R32的另一端和電容C2的另一端均接地。
5. 根據權利要求1所述的智能一體化電源開關量監控模塊，其特征是，（如圖5所示，） 所述電源電路包括降壓型脈寬控制DC/DC轉換器AP1501、電阻R13?R14、電容C3?C4、穩 壓管D1和電感L1 ;所述電阻R13?R14、電容C3、穩壓管D1和電感L1均與所述降壓型脈 寬控制DC/DC轉換器AP1501相連接，所述電容C4通過所述電感L1與所述降壓型脈寬控制 DC/DC轉換器AP1501相連接。
【文檔編號】G05B19/042GK104102161SQ201410363461
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】吳旻, 王成進 申請人:安徽繼遠電網技術有限責任公司