摘要：為了實現(xiàn)對水下觀測設(shè)備電能供給狀態(tài)的實時監(jiān)測和控制，提出了一種基于單片機和LabVIEW的遠程電力監(jiān)控方案。設(shè)計了電能管理控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和接駁盒節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)

摘要：為了實現(xiàn)對水下觀測設(shè)備電能供給狀態(tài)的實時監(jiān)測和控制，提出了一種基于單片機和LabVIEW的遠程電力監(jiān)控方案。設(shè)計了電能管理控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和接駁盒節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用分級控制策略，通過光以太網(wǎng)進行通信，采用電壓傳感器和電能控制模塊相結(jié)合的辦法實現(xiàn)對電能的管理控制。試驗表明，該系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定地運行，為通信系統(tǒng)長期運行提供了保證。

0 引言

近年來，隨著科技的不斷進步，水下觀測平臺已經(jīng)成為新的研究熱點[1-3]。為了實現(xiàn)對遠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，使各種遠程接駁盒內(nèi)部設(shè)備能夠連續(xù)不間斷地運行。因此觀測網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)將成為整個網(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€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)相對于交流供電系統(tǒng)主要有線路造價低、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點。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、不適合遠距離供電、變換器復(fù)雜等缺點，沒有得到廣泛的應(yīng)用。相對于恒壓供電方式，恒流供電具有故障自動隔離、安全可靠、供電距離遠、可帶負載多、轉(zhuǎn)換電路簡單、需高壓轉(zhuǎn)換電路等優(yōu)點，因此，本課題采用串聯(lián)恒流供電方式[6]。

觀測網(wǎng)絡(luò)遠程電力監(jiān)控系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)對直流電能傳輸過程的實時在線電力監(jiān)控，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。基站遠程電力監(jiān)控中心實現(xiàn)對觀測網(wǎng)絡(luò)接駁盒監(jiān)控節(jié)點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)點是系統(tǒng)的水下分控制中心，也是整個監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵裝置。接駁盒監(jiān)控節(jié)點負責(zé)采集所連接的各個傳感器的工作電壓、電流及節(jié)點內(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)傳送至基站遠程電力監(jiān)控中心。接駁盒監(jiān)控節(jié)點還能夠接收基站監(jiān)控中心下發(fā)的各種控制指令，并通過節(jié)點內(nèi)部的單片機微控制器控制機械繼電器的開關(guān)，從而實現(xiàn)對各個觀測傳感器的遠程遙控供電控制[7-8]。

2 水下接駁盒監(jiān)控節(jié)點設(shè)計

2.1 接駁盒節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

圖2所示為接駁盒電能分配節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)采用兩個控制模塊進行電能的控制，采用三級控制策略對各種傳感設(shè)備、供電模塊進行通、斷控制。第一級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進行控制命令的下達，ADAM4060控制模塊實現(xiàn)相應(yīng)的操作，完成對傳感設(shè)備和供電模塊的控制。第二級別是C8051F020主控模塊自主完成對傳感設(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，進行斷開命令，防止電壓過大使設(shè)備損壞，同時向岸基發(fā)送相應(yīng)的控制信息。第三級別主要由供電模塊自身硬件電路完成。

2.2 接駁盒節(jié)點電量測量模塊

觀測網(wǎng)絡(luò)電源模塊提供的電壓是標準的5 V、12 V、24 V，即整個監(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)進行對接駁盒內(nèi)部各種設(shè)備的供電。為了實現(xiàn)采集信號和低壓數(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，對電壓信號進行實時測量，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成跟蹤輸入信號的、有一定隔離能力的標準跟蹤電壓(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)點遠程控制

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)主要為了實現(xiàn)各種科學(xué)儀器的電能分配和電能的保護，采用繼電器輸出方式來實現(xiàn)電能的分配控制。繼電器輸出模塊工作原理是將單片機內(nèi)部的輸出數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成繼電器觸點的不同動作。單片機輸出信號“1”對應(yīng)繼電器觸點閉合，單片機輸出信號“0”對應(yīng)繼電器觸點打開。圖3為某一路輸出模塊電路設(shè)計圖。開關(guān)量模塊采用光耦隔離，可以實現(xiàn)繼電器和單片機的隔離。大功率三極管用來驅(qū)動繼電器工作，同時利用發(fā)光二極管來指示工作狀態(tài)。

3 遠程電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

觀測網(wǎng)絡(luò)遠程電力監(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^基站前置機與接駁盒主程序通信，把從接駁盒監(jiān)控節(jié)點接收到的原始數(shù)據(jù)進行處理與換算、界面顯示及數(shù)據(jù)庫存儲等[12]。接駁盒監(jiān)控節(jié)點主程序用于實現(xiàn)各觀測傳感器的A/D數(shù)據(jù)采集和機械繼電器開關(guān)控制。

3.1 接駁盒節(jié)點程序

接駁盒節(jié)點主控程序采用C語言開發(fā)設(shè)計，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模塊。初始化程序是對C8051F020單片機的一系列初值進行設(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)對接收到的上位機指令進行解析，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)對要發(fā)送到上位機的各路采集信號進行打包封裝，送到發(fā)送緩沖區(qū)由通信中斷子程序進行處理。通信中斷子程序主要進行上位機命令數(shù)據(jù)包的接收和下位機系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)包的上傳。采樣中斷子程序主要對循環(huán)采樣的各路數(shù)據(jù)進行判斷檢測和處理，并將采樣數(shù)據(jù)暫存。

3.2 岸基站控制臺程序

觀測網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)上位機軟件要實現(xiàn)對接駁盒內(nèi)電能參數(shù)進行長期實時連續(xù)監(jiān)測，對超過閾值的情況報警，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)出功能強大的上位機軟件，采用Modbus通信協(xié)議，通過RS-485串口實現(xiàn)與接駁盒下位機系統(tǒng)的通信，實現(xiàn)對觀測網(wǎng)絡(luò)電能參數(shù)的實時監(jiān)控。

上位機軟件設(shè)計中涉及到LabVIEW的多個功能和概念，主要包括枚舉型、事件結(jié)構(gòu)、通知器、狀態(tài)機、生產(chǎn)者/消費者設(shè)計模式、While循環(huán)等。整個上位機軟件充分利用了LabVIEW的并行處理優(yōu)勢，在以隊列消息處理器為模板的基礎(chǔ)上進行了設(shè)計和實現(xiàn)，隊列消息處理器用于進行多個任務(wù)并行執(zhí)行的設(shè)計，可以在進行數(shù)據(jù)連續(xù)采集和存儲任務(wù)的同時監(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)主要負責(zé)按用戶界面操作生成對應(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)主要進行遠程接駁盒內(nèi)部電能參數(shù)的采集。存儲數(shù)據(jù)循環(huán)主要進行采集數(shù)據(jù)的記錄。顯示數(shù)據(jù)循環(huán)主要進行采集數(shù)據(jù)的處理和波形圖表的更新。

4 系統(tǒng)測試與實驗

為了驗證觀測網(wǎng)電能管理系統(tǒng)能否有效地實現(xiàn)電能的管理控制，利用臺式機(其中帶有RS485接口)來進行采集數(shù)據(jù)的顯示，并在次級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)控軟件進行顯示。

通過監(jiān)控中心上位機軟件界面可以看到采集到的遠程接駁盒內(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_，實現(xiàn)對電能的監(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)點的遠程電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，接駁盒監(jiān)控節(jié)點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)點內(nèi)部的工作溫度，并通過接駁盒內(nèi)部的機械繼電器開關(guān)，實現(xiàn)了觀測傳感器的電能分配控制，初步實現(xiàn)了觀測網(wǎng)絡(luò)電能供給系統(tǒng)運行狀態(tài)的在線實時監(jiān)測。實驗結(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化水平，從而為我國的深海海底觀測平臺建設(shè)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

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原標題:基于單片機和LabVIEW的通信系統(tǒng)電能管理控制