基于Xscale270的智能网管UPS电源设计与实现

2013-04-10谷志阳刘冰冰

温州职业技术学院学报 2013年2期

关键词：正弦波网管智能网

谷志阳，刘冰冰

（1.温州职业技术学院电气电子工程系，浙江温州 325035；2.温州大学城市学院信息工程分院，浙江温州 325035）

基于Xscale270的智能网管UPS电源设计与实现

谷志阳1，刘冰冰2

（1.温州职业技术学院电气电子工程系，浙江温州 325035；2.温州大学城市学院信息工程分院，浙江温州 325035）

基于Xscale270的智能网管UPS电源可实现UPS电源集中管理，解决维护效率低等问题。该UPS电源以嵌入式微处理芯片Xscale270为控制核心，集以太网、RS485、RS232、SNMP等多接口通信设计，具有自检、自保护、自动报警等功能，支持热插拔及现场自适应接入，可单机独立运行，也可多机并网运行，网管功能强大。

智能网管；UPS电源；Xscale270

0 引言

不间断电源（UPS）系统是电信机房、移动通信基站和因特网服务器等系统可靠运行的必备设施之一，这些应用领域对供电的可靠性和稳定性有着非常高的要求。实践表明，U P S电源提供的质量高低是设备能否全天候不间断处于高速、可靠和安全工作的关键因素。另外，随着应用规模的不断扩大，用户对UP S电源的监管与维护成了一项耗时耗力的工作，供电要求高与维护效率低的矛盾凸现。为有效解决矛盾，组成分布式远程监控网络，对整个系统进行实时、全面的监控和管理，成为一种必然趋势[1]。本文以嵌入式微处理芯片Xscale270（以下简称Xscale270）为核心，多接口并存的智能网管UPS电源能自动兼容不同型号、不同版本UPS通信，以分布式系统构架实现UPS统一组网，从而实现整个系统对UP S电源进行实时、全面及有效的监控和管理。

1 UPS电源电路结构及工作原理

1.1 电路结构

智能网管UPS电源以Xscale270为控制核心，其电路结构由市电输入滤波、整流器、逆变器、输出耦合、同步控制、交流旁路、接口、蓄电池组及网管控制软件等部分组成，如图1所示。所有关键控制信号均经Xscale270完成，逆变电路的脉宽调制发生器采用软件编程、程序固化方式产生正弦脉宽调制中所需的50Hz基准正弦波信号。在实现强大的网管功能基础上，本电源解决了逆变器脉宽调制时遇到的同频同相、切换瞬态电压差产生的环流、上下IGBT功率管直通造成电路的损坏三个技术难题。

图1 UPS电源电路结构

1.2 工作原理

本电源工作原理有两种方式：一是经图1中虚线框内的逆变通道电路，输出高品质正弦逆变电，稳压精度为±1.5%；二是经市电输入滤波和交流旁路后，直接向负载供电。为保证以上供电通道在相互切换瞬间不存在供电中断现象，专门设计控制程序，使电路实现先闭合后断开的工作方式，以避免切换瞬间负载供电中断的现象。如在Xscale270控制下，交流旁路供电通道向逆变供电通道切换时，逆变通道电路将会先接入，交流旁路供电通道才会切除电路，反之亦然。

供电通道相互切换时，逆变电源与市电电源出现短暂时间内供电重叠现象，将产生环流而导致电路故障[2]。为解决这个难题，电路加入同步控制电路，利用从Xscale270两只独立管脚送入的市电同步信号与逆变电源的同步跟踪信号，构成锁相同步环的两路输入信号。在此条件下，从Xscale270另一管脚送出的基准方波信号总是与市电电网的正弦波电源处于锁相同步跟踪状态，信号同步跟踪范围为35～65Hz，实现自动同步跟踪市电5 0 H z工频的能力。为尽可能减少U P S电源在执行市电交流旁路供电和逆变器本身供电切换操作时，产生的瞬态电压差出现环流损坏机器的现象，Xscale270管脚送出的基准方波信号除具有自动同步跟踪市电电网的频率和相位的能力外，基准方波信号的幅值还能追踪市电电源的幅值。只有当U P S进行逆变器供电状态后，该信号才进入恒幅工作状态，最终使得两路电源在等幅值、同频率、同相位的状态下进行切换，从而避开环流造成的故障。

将Xscale270送出的基准方波信号再送入由运算放大器和周围元件组成的正弦波发生器，在正弦波发生器输出端得到同频同相的50Hz基准正弦波信号。另外，从Xscale270另一路送出的48Hz基准方波信号经外围电路放大、分频，以及由运算放大器和周围元件组成的三角波发生器，输出24Hz三角波，将以上两路信号送入比较器，在输出端得到一串正弦波调制信号（SPWM），反相后与原信号相位相差180°。这两路信号经缓冲放大，可得到相位差为1 8 0°的脉宽调制脉冲串。为防止脉宽调制脉冲串直接送入逆变器正、负极性I G B T功率管出现瞬间同时导通而损坏电路的故障，设计RC延迟电路，由RC组成的脉冲前沿延迟电路将这两串相位互差1 8 0°。同时，脉宽调制脉冲串前沿彼此之间错开一定角度，经后级整形放大，使前后沿形成不交接的死区，再经功率放大，光电耦合器隔离驱动正、负极性IGBT功率管，从而防止IGBT功率管直通造成电路损坏事故的产生。

2 UPS电源通信接口设计

为满足单机自主管理和并机运行时的异地分布式网管要求，在Xscale270控制主板上设计以太网、RS232、RS485、SNMP、电话等通讯接口。10/100M以太网通信接口电路，选用DM9000作为网络控制核心芯片，如图2所示。为实现Xscale270与DM9000连接，必须对两者间的数据、地址、控制三大总线进行连接和转换。Xscale270是支持32位的微处理器，有32根地址线；DM9000为16位以太网控制芯片[3-4]，可通过设置EEDIO和WAKEUP的值支持处理器类型。DM9000数据输出端TX、数据接收端RX分别与以太网变压器U3（YL37-1107S）数据接收端RD、输出端TD连接构成硬件电路。网络通信协议使用TCP/IP协议，并在Windows CE环境下开发。Windows CE是高度模块化的嵌入式操作系统，可根据目标设备或平台的不同特点进行定制，具有强大的网管功能，包含TCP/IP、UDP、ICMP等大量各种网络协议，利用Microsoft Visual Studio 2005可轻松编写运行于UP S电源控制主板的应用程序，并调用该平台提供的Socket API函数驱动以太网DM9000芯片。UPS电源IP地址设置界面如图3所示。

3 UPS电源网管控制系统的实现

网管控制系统总体方案采用分层分布式设计原则，使用以太网通信技术，实现远程集中管理与控制目的，如图4所示[5]。管理层由监控主机担当，为人机对话的窗口，负责信号处理和后台监控管理、操作、维护等功能，实现界面操作、用户设置、U P S状态查询及异常和故障报警等功能。

图2 10/100M以太网通信接口电路

图3 UPS电源IP地址设置界面

图4 UPS电源网管控制系统总体方案

U P S电源网管控制系统具有设备列表灵活、远程管理UPS电源方便等特点，具有监控现场UPS电源工作状态、即时报警和报警处理等功能，可管理群多地理位置分散的智能UPS电源，实时反映UPS电源的通断情况、环境温湿度、电压、电流、功率、频率、电池供电状态、逆变输出状态、并机状态、锁相是否成功等参数和信息。一旦电源出现异常，立即产生报警信息，且相关参数和图标立刻变色示警，并闪烁提示；只有恢复正常状态后，警示才消除。该系统可设置无人值守状态，同时启动电话语音、手机短信、电子邮件等报警方式。UPS电源运行电参数监控界面和UPS电源运行环境温湿度监控界面如图5、图6所示。

4 结束语

由于采用了先进的嵌入式微处理芯片Xscale270，UPS电源外围电路大为简化，通信管理功能大为增强，并机、组网变得灵活方便，具有自动监视运行状态、

Design and Implementation of UPS Power Supply of Intelligent Network Management Based on Xscale270

GU Zhiyang1, LIU Bingbing2
(1.Electric and Electronic Engineering Department, Wenzhou Vocational & Technical College, Wenzhou, 325035,
China; 2.School of Information Engineering, City College, Wenzhou University, Wenzhou, 325035, China)

UPS power supply of the intelligent network management based on Xscale270 can achieve the centralized management of UPS power supply and solve the problem of low maintenance efficiency. With the embedded micro processing chip Xscale270 as the controlling core, integrating Ethernet, RS485, RS232, SNMP and other multi-interface design, the UPS power supply has the capacity of self-test, self-protection, automatic fault alarm and other functions. It can support hot-swappable and field adaptive access. In addition, it is standalone operation as well as multi-machine joint grid operation and is powerful in network management.

Intelligent network management; UPS power supply; Xscale270