摘  要： 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水下觀測(cè)設(shè)備電能供給狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,，提出了一種基于單片機(jī)和LabVIEW的遠(yuǎn)程電力監(jiān)控方案。設(shè)計(jì)了電能管理控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和接駁盒節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu),。系統(tǒng)采用分級(jí)控制策略,，通過光以太網(wǎng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)電能的管理控制,。試驗(yàn)表明,，該系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定地運(yùn)行，為通信系統(tǒng)長期運(yùn)行提供了保證,。

　　關(guān)鍵詞： 單片機(jī),；LabVIEW,；接駁盒,；電能管理控制系統(tǒng)；海底供電系統(tǒng)

0 引言

　　近年來,，隨著科技的不斷進(jìn)步,，水下觀測(cè)平臺(tái)已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)[1-3]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)離岸基的水下各種信息連續(xù)不斷地監(jiān)測(cè),，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(cè)傳感器中,，使各種遠(yuǎn)程接駁盒內(nèi)部設(shè)備能夠連續(xù)不間斷地運(yùn)行。因此觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)將成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分[4-5],。

　　目前建立的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)多采用恒壓供電方式,，利用海水作為回路進(jìn)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€(gè)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(cè)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(duì)于交流供電系統(tǒng)主要有線路造價(jià)低,、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn),。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(duì)于觀測(cè)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(yuǎn)距離供電,、變換器復(fù)雜等缺點(diǎn)，沒有得到廣泛的應(yīng)用,。相對(duì)于恒壓供電方式,，恒流供電具有故障自動(dòng)隔離、安全可靠,、供電距離遠(yuǎn),、可帶負(fù)載多、轉(zhuǎn)換電路簡單,、需高壓轉(zhuǎn)換電路等優(yōu)點(diǎn),，因此，本課題采用串聯(lián)恒流供電方式[6],。

　　觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電能傳輸過程的實(shí)時(shí)在線電力監(jiān)控,，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示?；具h(yuǎn)程電力監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和觀測(cè)傳感器的集中監(jiān)測(cè)和控制,，是系統(tǒng)的總控制中心。接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的水下分控制中心,，也是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵裝置,。接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集所連接的各個(gè)傳感器的工作電壓、電流及節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)程電力監(jiān)控中心,。接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)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(diǎn)內(nèi)部的單片機(jī)微控制器控制機(jī)械繼電器的開關(guān),，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)觀測(cè)傳感器的遠(yuǎn)程遙控供電控制[7-8],。

2 水下接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　2.1 接駁盒節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

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

　　2.2 接駁盒節(jié)點(diǎn)電量測(cè)量模塊

　　觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)電源模塊提供的電壓是標(biāo)準(zhǔn)的5 V,、12 V、24 V,，即整個(gè)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(jìn)行電壓的隔離和變換，取得與被測(cè)電壓成正比的0~5 V信號(hào)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(cè)網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)中,，采用直流供電技術(shù)進(jìn)行對(duì)接駁盒內(nèi)部各種設(shè)備的供電,。為了實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)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(jìn)行供電設(shè)備直流電壓的檢測(cè),，該電壓隔離傳感器采用線性光電隔離原理，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成跟蹤輸入信號(hào)的,、有一定隔離能力的標(biāo)準(zhǔn)跟蹤電壓（VG）輸出[9],。如果要改變傳感器設(shè)備供電電壓測(cè)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(cè)量通過分壓電阻可以在不更換傳感器的情況下改變測(cè)量范圍,。

　　2.3 接駁盒節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)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(cè)網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)主要為了實(shí)現(xiàn)各種科學(xué)儀器的電能分配和電能的保護(hù),，采用繼電器輸出方式來實(shí)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(jī)內(nèi)部的輸出數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成繼電器觸點(diǎn)的不同動(dòng)作。單片機(jī)輸出信號(hào)“1”對(duì)應(yīng)繼電器觸點(diǎn)閉合,，單片機(jī)輸出信號(hào)“0”對(duì)應(yīng)繼電器觸點(diǎn)打開,。圖3為某一路輸出模塊電路設(shè)計(jì)圖。開關(guān)量模塊采用光耦隔離,，可以實(shí)現(xiàn)繼電器和單片機(jī)的隔離,。大功率三極管用來驅(qū)動(dòng)繼電器工作，同時(shí)利用發(fā)光二極管來指示工作狀態(tài),。

3 遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)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],。基站主程序通過基站前置機(jī)與接駁盒主程序通信,，把從接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與換算,、界面顯示及數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)等[12],。接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主程序用于實(shí)現(xiàn)各觀測(cè)傳感器的A/D數(shù)據(jù)采集和機(jī)械繼電器開關(guān)控制。

　　3.1 接駁盒節(jié)點(diǎn)程序

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

　　3.2 岸基站控制臺(tái)程序

　　觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)上位機(jī)軟件要實(shí)現(xiàn)對(duì)接駁盒內(nèi)電能參數(shù)進(jìn)行長期實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)超過閾值的情況報(bào)警,，提供靈活的監(jiān)測(cè)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(qiáng)大的上位機(jī)軟件,，采用Modbus通信協(xié)議,，通過RS-485串口實(shí)現(xiàn)與接駁盒下位機(jī)系統(tǒng)的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)電能參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,。

　　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中涉及到LabVIEW的多個(gè)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(jī)、生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式,、While循環(huán)等,。整個(gè)上位機(jī)軟件充分利用了LabVIEW的并行處理優(yōu)勢(shì)，在以隊(duì)列消息處理器為模板的基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),，隊(duì)列消息處理器用于進(jìn)行多個(gè)任務(wù)并行執(zhí)行的設(shè)計(jì),，可以在進(jìn)行數(shù)據(jù)連續(xù)采集和存儲(chǔ)任務(wù)的同時(shí)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(gè)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(chǔ)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(fù)責(zé)按用戶界面操作生成對(duì)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(shí)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(jìn)行遠(yuǎn)程接駁盒內(nèi)部電能參數(shù)的采集。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)循環(huán)主要進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的記錄,。顯示數(shù)據(jù)循環(huán)主要進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的處理和波形圖表的更新,。

4 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

　　為了驗(yàn)證觀測(cè)網(wǎng)電能管理系統(tǒng)能否有效地實(shí)現(xiàn)電能的管理控制，利用臺(tái)式機(jī)（其中帶有RS485接口）來進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的顯示,，并在次級(jí)接駁盒接上各種傳感設(shè)備,，如圖6所示。觀測(cè)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(jìn)行顯示,。

　　通過監(jiān)控中心上位機(jī)軟件界面可以看到采集到的遠(yuǎn)程接駁盒內(nèi)部監(jiān)測(cè)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)電能的監(jiān)測(cè)控制,。

5 結(jié)論

　　本文提出了一種基于接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,，接駁盒監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用霍爾電流傳感器檢測(cè)觀測(cè)傳感器的工作電流，采用電阻分壓的方法測(cè)量工作電壓,，采用熱敏電阻來測(cè)量接駁盒節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的工作溫度,，并通過接駁盒內(nèi)部的機(jī)械繼電器開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)傳感器的電能分配控制,，初步實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)電能供給系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該電能管理系統(tǒng)能提高觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)電能供給的安全性和自動(dòng)化水平,，從而為我國的深海海底觀測(cè)平臺(tái)建設(shè)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

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