基于电力线载波的开放实验室电源控制系统.pdf

第 5 2卷第 9期 2 0 1 5年5月 l 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l Me a s u r e me n t& I n s t r u me nt a t i o n V0 1 5 2 NO 9 M a y 1 0， 2 0 1 5 基 于 电力线载波 的开放 实验 室 电源控 制 系统 张晨亮， 苏学军， 毕涛， 凌云峰 ( 海军航 空工程学院 基础 实验部 ，山东 烟 台 2 6 4 0 0 1 ) 摘要 ： 开放实验室的学生人数多、 流动性大 ， 给实验仪器电源管理带来 了难题。为了解决该问题 ， 以计算机为主 机 ， 利用单片机 、 电力载波模块 、 继 电器等元器件设计了一套基于 电力线载波 的电源控制系统 ， 包括监控主机、 主站点和从站点 。监控 主机上设计有人机 界面 ， 该界 面可远程控制从站点 的电源通断 ； 主站点采用 双 串口 S T C 1 2 C 5 A 0 8 $ 2单片机实现监控主机与从站点问 的信息转发 ； 从站点通过 A T 8 9 S 5 2单片机控制继 电器的吸合 与释放 ， 从而实现电源通断。经过运行测试 ， 该系统工作稳定、 操作简便 ， 各项性能达到了设计要求。 关键词 ： 开放实验室 ； 电力载波模块 ； 电源控制系统 ； A T 8 9 S 5 2； S T C 1 2 C 5 A 0 8 S 2 中图分类号 ： T M 5 7 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 1 0 3 0 5 Op e n l a b o r a t o r y po we r c o n t r o l s y s t e m ba s e d o n po we r l i ne c a r r i e r Z h a n g C h e n l i a n g ， S u X u e j u n ， B i T a o ，L i n g Y u n f e n g ( D e p a r t me n t o f B a s i c E x p e r i m e n t ， N a v a l A e r o n a u t i c a l a n d A s t r o n a u t i c a l U n i v e r s i t y ， Y a n t a i 2 6 4 0 0 1 ， S h a n d o n g，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Du e t o t h e l a r g e q u a n t i t y a n d fl o w o f s t u d e n t s i n t h e o p e n l a b o r a t o r y，t h e p r o b l e m o f a p p a r a t u s p o we r ma n - a g e me n t o c c u r r e d T o s o l v e t h e p r o b l e m， t h e a r t i c l e d e s i g n e d a p o w e r c o n t r o l s y s t e m w i t h P C，MC U， p o w e r l i n e c a r r i e r c o mmun i c a t i o n mo d u l e s a n d r e l a y s e t c b a s e d o n po we r l i n e c a r r i e r ，wh i c h i n c l u d e s t h e u p p e r PC，t h e c e n t r a l s t a t i o n a n d t h e s l a v e s t a t i o n s An i nt e r a c t i v e i n t e r f a c e i s d e s i g n e d i n u p p e r PC，whi c h c a n c o nt r o l t h e s l a v e s t a t i o n t o o p e n o r c l o s e t h e p o we r T h e c e n t r a l s t a t i o n w h i c h b a s e d o n S T C1 2 C 5 A0 8 S 2 i s u s e d f o r t h e i n f o r ma t i o n r e t r a n s mi s s i o n b e t w e e n t h e u p p e r P C a n d t h e s l a v e s t a t i o n T h e s l a v e s t a t i o n s wh i c h b a s e d o n A T 8 9 S 5 2 c o n t r o l t h e p o we r t h r o u g h t h e r e l a y s Afte r wo r k i n g a nd t e s t i n g，t h e s y s t e m ha s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t a b l e wo r k i n g a n d c o n v e n i e n t o p e r a t i o n，wh i c h c a n me e t t h e n e e d s o f t h e r e a l a p p l i c a t i o n Ke ywor ds： o p e n l a b o r a t o r y，p o we r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n mo d u l e，p o we r c o n t r o l s y s t e m ，AT 8 9 S 5 2，S T C1 2 C 5A0 8 S 2 0 引 言 开放实验室是指在满足计划 内教学及科研任务 以外 的时间， 开放现有师 资、 仪器设 备、 设施 等实验 资源 ， 为学生 提供 实践学 习条 件 的各 类 实验 室 。 开放实验室是 推行素质教育 、 提高学生综合 素质和 实践能力 的重要场所 ， 有利于培养学生 的 自学能力 、 实践能力 和兴 趣 ， 充分激发学 生 的 自觉性 、 独立 性、 积极性 、 主动性和创造性 ， 同时也有 利于提高实验室 资源利用率 ， 是高校实验教学改革 的必然趋势 j 。 在实验室开放过程 中， 学生 可 以 自由安排 实验 时间和实验 内容并 自主完成实 验 ， 整个实验 过程一 般不需要教师全程指导 与管理。由于实验学生人数 和 占用的实验台位具有不 确定性 ， 给实验仪器 电源 管理提 出了更高 的要求 。如果 给实验 仪器 全部 加 电， 不但浪费 电能 ， 而且会增加仪器 的损耗 ， 另外 也 使学生随意调整座位成 为可 能， 这无疑增加 了实验 室管理的难度 。能否设计一种远 程 电源控制 系统 ， 教师通过计算机远程控制实验仪器的电源， 只给有 学生的台位加 电， 这样将会大大提高实验室 的管理 效率、 节约能源 、 延长仪器寿命 。 现有的电源控 制系统一般是 基于 T C P I P以太 网 或 Z i g B e e无线技术 J 。采用 T C P I P以太 网的 电源控制系统需要通过网络传送指令， 因此实验室 中应布有网线 ； 采用 Z i g B e e无线技术的 电源控制器 虽然避免了布线 ， 但 Z i g B e e无线模块传输距离较短 ， 会与其它无线 系统 不可避免的产生相互干扰 ， 影 响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 9期 2 0 1 5年5月 l 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r u m e n t a t i o n VO 1 5 2 NO 9 M a y 1 0， 2 0 1 5 系统的工作可靠性 。 采用基于电力线载波的电源控制系统 可有效避 免以上问题 ， 电力线载波技术 能在低压输 电网上传 送信号 ， 现成 的电力线 即可作 为传送控制信 号的媒 体 ， 不再需要专 门的控制线路或无线 网络 ， 可有效降 低硬件成本 和施工难 度， 应用前景较好 。本文就 基于电力线载波 的电源控制 系统进行 了研究 ， 给 出 了设计方案并实现了该系统。 1 电源控制系统设计方案 1 1 电源控 制 系统 电源控制 系统包括 监控主机 、 主站 点和多个从 站点 ， 设计 目标是高可靠性和低成本 ， 系统结构如 图 1所示 。监控主机由计算机承担， 计算机上安装人机 交互控制软件 ， 利用 R S一2 3 2接 口电路与 主站点相 连 ； 主站点将监控主机发 出的控制指令通过 电力载 波模块传送 给从站点 ， 并 把从站点反馈的状态信息 传送给监控 主机； 从站点用于控制实验 台上仪器 的 电源 ， 每个从站点对应一个唯一地址 ， 以确保监控 主 机和主站点能对它们进行单独控制。从站点通过 电 力载波模块 接收到控制指 令后 ， 控制继 电器 的吸合 与释放 ， 实现电源的通断， 同时把执行后 的状态信息 反馈给监控主机 。从站点控制器可采用 A T 8 9 S 5 2单 片机 ， 该单片机具有价格便宜 、 可靠性高 、 技术 成熟 的优点 ， 在 电源设计 中应用广泛 ， 适合 系统 的设 计 目标 图 1 电源控 制 系统 结构 图 Fi g 1 Po we r c o n t r o l s y s t e m s t r u c t u r e d i a g r a m 1 2串口通信 协议 监控主机、 主站点和从站点之 间需要传送控制 指令和状态信息 ， 因此保障监控主机 、 主站点 、 从站 点之间信息准确传递是系统核心问题之一。 在数据通信协议 中， 常用的是 HD L C， 它是一种 面向比特 的高级链 路层 控制 ( Hi g h L e v e l D a t a L i n k C o n t r o 1 ) 同步通信协议 一 10 3 。H D L C 协议帧格式由起 始标志 0 x 7 E、 终止标志 0 x 7 E、 地址、 信息及 C R C校验 位组成 ， 为了保证标 志码 的唯一性并兼顾 帧内数据 的透明性 ， 采用“ 0比特插人法” 处理 。HD L C协议虽 然具有透 明性、 高速性 、 可靠 性和灵活性 的优 点， 但 一 1 0 4 一 其帧结构复杂 ， 并且需要“ 0比特插人法” 处理 ， 对于 采用 A T 8 9 C 5 2单片机 的从站点 而言 ， “ 0比特插人 法” 实现困难。 由于本系统传输 的数据量少 ， 参 照 H D L C协议 ， 设计 了专用协议 。该协议仍保 留起始标 志 0 x 7 E、 终 止标志 0 x 7 E， 采用 1 6位二进制数作 为地址字段 ， 地 址字段中避免使用 0 x 7 E， 这样就不会对标志产生干 扰。信息字段采用 8位二进制数 ， 0 x A A表示开电源 指令、 0 x 5 5表示关 电源指 令、 0 X A 5表示从站点工作 状态查询指令 ， 本系统协议帧的格式见表 1 。 表 l协议帧格式 Ta b 1 P r o t o c o l f r a me f o r ma t 1 3 S EN S 1 5 电 力 载 波模 块 S E N S 1 5电力载波模块采用直序扩频技术 ， 具有 通讯距离远 、 通信 速率高 、 抗杂 波干扰 能力 强等 特 点 。模 块 采 用 +1 2 V 供 电， 载 波 波 特 率 1 0 0 b p s 6 0 0 b p s 可调 。该模块采用 1 T L电平 串行接 口， 可 以 直接与 MC S 一 5 1系列单片机 的 R X D、 T X D通信 ， 串口 波特 率 可 由 用 户设 定 ， 分 别 为 1 2 0 0 b p s 、 2 4 0 0 b p s 、 48 0 0b p s、 9 6 0 0bp s 。 S E N S 1 5电力载波模块提供半双工通信功能 ， 电 力线载波频率为 1 1 5 k Hz ， 可以在 2 2 0 1 1 0 V， 5 0 6 0 Hz 电力线上实现局域通信。该模块有 固定字节长度传 输及 固定帧长度传输模式 ， 两个模式可以 自由配置。 固定字节长度传输模式适用 于数据长度 比较短 ， 每 次传输的字节数 比较 固定 的情况 ； 固定帧长度传输 模式适用于追求数据传输 的高可靠性而对速度要求 不高的情况。 主从站点通过 S E N S 1 5电力载波模块构成 了基 于电力线载波的分布式通信系统。经过测试， 由于 S E N S 1 5电力载波模块具有直序 扩频和 固定 帧长度 传输技术 ， 当电力载波单相连接时 ， 其通信距离大于 5 0 0 m， 在轻负载条件或者直流线路情况下 ， 通讯距离 大于 1 0 0 0 m。当通信距离大于上面数值时 ， 载波信号 的质量明显变差 ， 系统误码率增加 ， 为 了改善通信质 量 ， 可增加软中继功能。 2从站点 设计 根据系统功能要求 ， 监控 主机通 过主站点发送 控制帧 ， 包括标志码、 地址字段和信息字段 。从站点 收到控制帧后， 提取 出地址字段并与本地地址 对 比， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 9期 2 0 1 5年5月 1 O 日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e n t& I n s t r u m e nt a t i o n V0 I 5 2 No 9 M a y 1 0。 2 0 1 5 如果地址相符则执行信息字段对应的电源开关指令 或查询指令。基于 A T 8 9 S 5 2的从站点包括单片机最 小系统 、 地址设 置拨码开关 、 继 电器 、 电力载波模 块 S E N S 1 5以及工作电源 ， 硬件结构如图 2所示 。 图 2从 站 点硬 件 结构 图 Fi g 2 S l a v e s t a t i o n h a r d wa r e s t r u c t u r e d i a g r a m 每个实验 台上配备 一个从站 点 ， 实验 台上摆放 了多种实验仪器 ， 这些实验仪器 的电源 由从站点控 制 。每个从站 点有一个唯一 的物 理地址 ， 可采用两 个 8位拨码开关实现设置 ， 单片机检测拨码开关 的状 态 ， 不 同的状态组合成 1 6位二进制数据 ， 此数据 即为 从站点的地址 。两个继电器控制 电源的 L线 和 N线 用于 2 2 0 V电源通 断， 为 了增加继 电器的寿命 ， 并 减 少对单片机 的干扰 ， 在继 电器 接点两端并接 了消火 花电路_ l 。由于单 片机无法直接驱动继 电器 ， 因此 单片机只用作逻辑输出 ， 功率驱动由 $ 9 0 1 3三极管实 现。状态 检测 电路 用于 实时检 测从站 点 的工作 状 态 ， 包括 2 2 0 V电源是否输 出、 从站点是否在线等 ， 为 了保护单片机电路 ， 电源检测端与单片机 I O口间用 光电耦合器 隔离 。电力线通信采用 S E N S 1 5嵌入式 电力载波模块 ， 为了提高系统数据传输 的可靠 性 ， 电 力载波模块采 用 固定帧长度 的传输模 式 ， 串 口波特 率设置成 9 6 0 0 b p s 。从站点成品电路板如图 3所示。 从站点程序包括 主程序 、 串 口收发子程序、 继 电 器控制子程序 、 状 态检测子程序 等。主程序 可实现 地址信息、 电源开关指令 、 电源状态查询指令的接收 图 3从 站 点 电路 板 F i g 3 S l a v e s t a t i o n c i r c ui t b o a r d 和从站点状态信息的发送 。 3 主站点设计 主站点是系统消息交 互传输 的中枢 ， 具有 固定 的地址 0 0 0 1 H， 与从站点构成基于电力载波的分布式 系统 ， 主站点硬件结构如 图 4所示 。监控主机 、 主站 点 、 从站点需要相互交换信息 ， 主站点与从站点之间 通过电力载波模块 S E N S 1 5实现通信 ， 主站点与监控 主机之间通过 R S - 2 3 2接 口电路实现通信 。主站点的 单片机采用具有双 串 口并 与 MC S 5 1系列单 片机兼 容的宏晶 S T C 1 2 C 5 A 0 8 S 2 作为控制核心， 外围电路连 接 了4 4键盘及中文液晶显示器。主站点不但 能实 现监控主机与从站点之 间的信息帧转发 ， 而且 能在 监控主机 损坏 的情 况下利 用键 盘发送 开关 电源指 令 ， 从站点 的工作 状态能够在 中文液 晶显示 器上通 过 图形界面实时显示 。 图 4主站 点硬件 结 构 图 Fi g 4 Ce n t r a l s t a t i o n h a r d wa r e s t r uc t u r e d i a g r a m 主站点程序包 括主程序 、 主站点 与监控 主机通 信子程序、 主从站点通信子程 序 、 键盘 扫描子程序 、 液晶显示驱动子程序等 。主程序负责程序的整体协 调 ， 并根据系统功 能调用有关 子程序 。主站点与监 控主机通信子程序利用串口 1 完成主站点与监控主 机间的数据 帧收发 ； 液 晶显示 驱动子程序根据数据 帧中的地址字 段及信息字段 ， 利用液晶显示器 的图 形化界面实时显示从站点 的工 作状态 ； 主从站 点通 信子程序利用串 口2实现主站点与从站点 间的数据 帧的收发。 4监控主机人机界面设计 人机界面包括监控子程序、 指令发送子程序 、 串 口通信子程序等 。监控子程序用 于实时查询从机工 作状态 ， 包括电源状态和在线状态 ； 指令发送子程序 用于发送开关 电源或查询指令 。人机界 面软件采用 V C+编写 ， 设计有从站点序号 、 开关按钮 、 从站点 在线状态 、 电源开关状态等图形要素 ， 如图 5所示 。 一 1 0 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷 2 01 5年 第 9期 5月 1 0 日 电测与仪表 El e e t r i e a l M e a s ur e m e nt& I n s t r ume nt a t i o n V0 1 5 2 No 9 M a y 1 0 2 0 1 5 Z h a n g Y a n f e n ，L i u Z h o n g c h e n g ，G e n g Q i a n g ， e t a 1 S d u d y o n l a b o r a t o r y o p e n i n g ma n a g e me n t a n d o p e r a t i o n me c h a n i s m i n c o l l e g e s a n d u n i v e r s i t i e s u n d e r n e w s i t u a t i o n J E x p e ri m e n ta l T e c h n o l o g y a n d Mana g e me n t ， 2 0 1 3， 3 0 ( 3 ) ： 1 8 0 1 8 3 2钱 小明高校实验室开放管理机制 的探 索与实践 J 实验技术 与管理 ， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 1 1 ) ： 4 0 - 4 2 Q i a n X i a o mi n g E x p l o r a t i o n a n d p r a c t i c e o n ma n a g e m e n t m e c h ani s m o f l a b o r a t o r y o p e n i n g i n c o l l e g e s and u n i v e rs i t i e s J E x p e ri m e n t a l T e c h n o l o g y a n d M a n a g e me n t ， 2 0 1 3， 3 0 ( 1 1 )： 4 0 -42 3 钱建波， 杨安康 ， 谢娜， 等 物理实验室中远程电源监控系统的 设计与开发 J 实验室研究与探索 ， 2 0 0 8， 2 7( 1 )： 4 8 -49 Q i an J i a n b o ，Y ang An k a n g ， X i e N a ， e t a 1 D e s i g n a n d d e v e l o p me n t o f t h e r e m o t e p o w e r s u p e r v i s i o n s y s t e m i n p h y s i c al l a b o r a t o ry J R e - s e a r c h a n d E x p l o r a t i o n i n L a b o r a t o r y ， 2 0 0 8， 2 7 ( 1 ) ： 4 8 -49 4 邓子敬， 郭斌林基于 Z i g b e e的远程电源测控系统方案设计 J 杭州 电子科 技大学学报 ， 2 0 1 2， 3 2 ( 5) ： 3 7 -40 D e n g Z i j i n g ，G u o B i n l i n D e s i gn m o n i t o r s y s t e m o f r e m o t e h i g h v o l t a g e p o w e r s u p p l y b a s e d o n Z i g b e e J J o u r n al o f H a n g z h o u D i anz i U n i v e rs i t y ， 2 0 1 2， 3 2 ( 5 )： 3 7 -40 5 尤克室 内 8 0 2 1 1 b WL A N与 U WB - WP A N& Z i g B e e WP A N 的干 扰 J 电测与仪表 ， 2 0 0 6， 4 3 ( 7 ) ： 4 6 - 5 0 Yo u Ke Th e i n t e r f e r e n c e o f 8 0 2 1 i b W L AN a n d UW B W P AN Z i g - B e e WP A N i n i n d o o r h o me J E l e c tr i c a l Me a s u r e m e n t I n s t mm e n t a t i o n ， 2 0 0 6， 4 3 ( 7 ) ： 4 6 - 5 0 6 曹敏 ，李波 ， 毕 志周 ， 等 低压电力线载波通信 性能测试方 法研 究 J 电测与仪表， 2 0 1 2 ， 4 9 ( 1 0 ) ： 4 6 - 5 1 Ca o Mi n，L i B o，Bi Z h i z h o u，e t a 1 Re s e a r c h o n t h e p e rfo r ma n c e t e s t me t h o d s o f l o w v o l t a g e p o w e r l i n e c a r r i e r c o mm u n i c a t i o n J E l e e t r i c al Me a s u r e m e n tI n s t r u m e n t a t i o n ， 2 0 1 2 ， 4 9 ( 1 O ) ： 4 6 - 5 1 7宁剑 ，丁青青 ，刘乐峰 ，等基于 A T 8 9 S 5 2单片机 的 D MF C电源 管理 系统设计 J 电源技术 ， 2 0 1 1 ， 3 5 ( 2 ) ：1 4 0 - 1 4 3 N i n g J i a n， D i n g Q i n g q i n g ， L i u L e f e n g ， e t a 1 D e s i gn o f D MF C e n e r - g Y ma n a g e me n t s y s t e m b a s e d o n AT8 9 S 5 2 s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r J C h i n e s e J o u r n al o f P o w e r S o u r c e s ， 2 0 1 1 ， 3 5 ( 2) ： 1 4 0 1 4 3 8 应三丛 ，张行 基 于 F P G A 的 HD L C协议控制器 J 四川 大学 学报 ( 工程科学版)， 2 0 0 8， 4 0( 3 ) ：1 1 6 1 2 0 Yi n g S a n c o n g，Zh a n g Xi n g Ne w HDL C p r o t o c o l c o n t r o l l e r b as e d o n t h e F P G A J J o u rnal o f S i e h u a n U n i v e rsi t y ( E n g i n e e ri n g S c i e n c e E d i t i o n) ， 2 0 0 8， 4 0 ( 3 )： 1 1 6 1 2 0 9 张文博 ，左勇 ， 徐浩然 ，等支持 HD L C协议 的紫外通信 系统设 计 J 光通信技术， 2 0 1 2 ， ( 9 ) ： 5 3 - 5 6 Z h a n g W e n b o，Z u o Yo n g，Xu Ha o r a n，e t a 1 T h e d e s i gn o f HDL C- e n abl e d u lt r a v i o l e t c o m mu n i c a t i o n s y s t e m J O p t i c a l C o mm u n i c a t i o n T e c h n o l o gy， 2 0 1 2 ，( 9 ) ： 5 3 5 6 1 O 邓凤军 ，张龙 ，王益忠一种 HD L C协议 多通道通信卡 的设计 与实现 J 测控技术 ， 2 0 1 3， 3 2 ( 1 1 ) ：1 1 1 - 1 1 4 D e n g F e n u n ， Z h ang L o n g ， Wa n g Y i z h o n g D e s i g n a n d i mp l e m e n t a t i o n o f m u l t i c h a n n e l c o m mu n i c a t i o n c a r d b a s e d o n HD L C J Me a s u r e m e n t C o n t r o l T e c h n o l o gy， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 1 1 ) ：1 1 1 1 1 4 1 1 蒋兴 明，黄炜基 于 A R M 的胎压无线 监测 自控系 统设计 J 计算机测量与控制 ， 2 0 1 0， 1 8 ( 4 ) ： 7 5 2 - 7 5 4 J i an g Xi n g mi n g ，Hu a n g We i De s i g n o f t i r e p r e s s u r e wi r e l e s s mo n i t o r i n g a u t o m a t i c c o n t r o l s y s t e m b ase d o n A R M J C o mp u t e r Me a s u r e me n t C o n t ml ， 2 0 1 0 ，1 8 ( 4 ) ： 7 5 2 - 7 5 4 作者简介 ： 张晨亮( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 河北保定人 ， 工程 师， 硕士 ， 主 要研究方向为电子电路技术及通信理论 。 Ema i l ： 1 5 5 7 3 2 3 9 q q c o rn 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 6 0 3 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 5 0 20 6 ( 王克祥编发 ) 姚 静 ( 1 9 8 6 一 ) ， 女 ， 汉族 ， 宁 夏青铜 峡人 ， 硕 士研究 生 ， 主要从事光伏并 网发 电方面的研究 。 l 杨国华(1972一)，男，汉族，宁夏中卫人，工学硕士， 教授，硕士生导师，主要从事电力系统检测，新能源 发电。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 0 2； 修回 日期 ： 2 0 1 41 11 2 ( 田春雨编发 ) - - - 1 0 7 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m