基于超寬帶技術的控制系統智能電源技術研究

閆海煜

(重慶電子工程職業學院通信工程學院，重慶401331)

基于超寬帶技術的控制系統智能電源技術研究

閆海煜

(重慶電子工程職業學院通信工程學院，重慶401331)

隨著控制技術的發展，電源的可靠性成為控制系統的重要性能保障。對市場上存在的多種開關電源進行了分析，提出了應用于遠程控制系統的智能電源的設計方案。該智能電源是一種基于超寬帶通信技術的遠程可控系統，包括系統的遠程控制中心和智能控制器終端兩部分。系統控制中心通過超寬帶技術對設定的智能電源控制器終端進行遠程管理，智能控制器作為電源運行狀態采集模塊起到現場數據采集和控制命令執行的作用。該智能電源系統具有實時性強、控制效率高的優勢。

智能電源；智能監控；單片機；超寬帶

電力電子及通信技術的發展為控制技術的成熟提供了基礎。20世紀50年代以來的控制系統是模擬控制系統，具有控制規模小、實時性不強的劣勢。隨著工業規模的發展以及生產力水平的提高，現代控制系統大多采用高精尖的數字化設備，需要具有高的可靠性、好的開放性和互操作性，這給控制系統提出了更高的要求。為了提高系統的可靠性，當前的控制系統對電源的工作狀態的要求也越來越高，為了滿足這一要求，本課題研究了基于智能控制的電源系統，為控制系統的可靠運行奠定良好的基礎。

1 開關電源現狀分析

開關電源是利用現代電子技術，控制開關管開通和關斷的時間占比，維持穩定輸出電壓的一種電源。開關電源具有體積小、質量輕、輸入電壓范圍寬、功率密度/轉換效率高、待機功耗小等眾多優點，已經取代線性工頻電源，在電子、電氣設備、家電領域得到了廣泛的應用。

開關電源一般由脈沖寬度調制 (PWM)、IC和MOSFET構成[1]。高頻化技術可使中小型開關電源的工作頻率達到400 kHz；同時軟開關與專用控制芯片技術的成熟，不僅進一步提高了電源的工作效率，也使電源電路進一步簡化，使得開關電源在高新技術領域得到了進一步的發展。

開關電源器件主要包括了眾多半導體元件，例如電解電容、光耦合器及排風扇等。復雜的電路帶來了相應的可靠性問題，同時開關電源可控性也不盡如人意，因此，加強開關電源的智能化控制功能，提高工作的穩定性和可靠性，是開關電源發展的必經之路。

2 智能電源系統分析

對開關電源實現網絡化、智能化、自動化管理是現代開關電源的發展方向，而智能開關就是實現這一目標的必要手段。

智能電源是一種可以實現遠程控制的智能化開關控制裝置，主要功能是通過嵌入式系統對開關電源的運行狀態進行檢測，通過通信網絡對電源實現遠程的監控和管理。

圖1所示是智能電源系統的結構，整個系統分為三層結構。底層為數據采集層，由于電源節點分散且數量眾多，經常處于變動之中，所以底層采集層采用無線傳輸技術，并采用單片機作為底層數據處理中心。中間層為數據通信層，通信方式采用超寬帶技術，以保證數據傳輸的準確性和實時性。上層為系統的控制中心，完成開關電源節點運行狀態的顯示、查詢、終端控制等功能。

圖1 智能電源監控系統結構

3 控制芯片選型及工作方式分析

電源監控的數據量相對穩定，實時性要求較高，本設計選用8051系列的單片機STC89C52RC來完成各節點數據的采集和處理工作。宏晶科技出品的STC89C52RC具有超低功耗、超強抗干擾能力和加密性強的基本特性，同時技術成熟、工作穩定性高、成本低，是小型監控系統的最優選擇。

STC89C52RC的基本結構如圖2所示。

圖2 STC89C52RC結構

開關電源的運行采集數據是通過STC89C52RC的I/O口傳送入單片機，并通過安裝在單片機的通信模塊發送出去。在本設計中，每次傳輸數據的定時時間選用10 ms，主頻頻率為12 MHz，每10 ms向主機請求處理一次，定時工作方式為1，設置GATE為1，匯編初始化程序為：

INTT0：MOV TMOD,#09H ;設T0為定時方式1，GATE為1

MOV TL0,#00H ;TL0清零

MOV TH0,#00H ;TH0清零

SETB TR0 ;啟動T0開始計數

CLR TR0 ;停止T0計數

MOV A,TL0 ;低字節計數值送A

MOV B,TH0 ;低字節計數值送B

: ;計算脈寬和處理

:

4 通信模塊分析

超寬帶無線通信技術(UWB)是一種無載波通信技術，使用具有納秒或次秒級以下的極窄脈沖來進行數據傳輸，從而使其具有1 GHz以上的帶寬，因此，雖然UWB屬于無線通信，但通信速率可以達到每秒幾百兆比特以上。

美國FCC對UWB的定義為：(fH-fL)fC＞20%，或者總帶寬不小于500 MHz。式中：fH和fL分別為功率較峰值功率下降10 dB時所對應的高端頻率和低端頻率；fC為載波頻率或中心頻率[2]。

按照FCC的規定：UWB的工作帶寬范圍為 3.1～10.6 GHz，所以UWB與其他通信技術之間存在著同頻和鄰頻的干擾。為了降低UWB對其他無線通信的影響，就必須對UWB設備的發射功能進行限制，這也就限制了UWB技術的傳輸距離。UWB信號的有效傳輸在10 m以內，所以超寬帶技術本質上屬于短距離通信方式。

超寬帶通信技術以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強等優點成為短距離無線通信極具競爭為和發展前景的技術之一。本設計采用超寬帶通信技術構建電源參數采集系統的數據通信體系，在各監測點及單片機的接受端植入UWB通信模塊，從而實現相應數據采集與通信，具體過程如圖3所示。

圖3 超寬帶電源數據傳輸結構圖

4 總結

本設計利用開關電源構建了應用于控制系統的智能電源。該智能電源系統具有“遙感、遙測、遙控”等三項功能。這些功能的實現依靠三層結構來實現：處于底層的是數據采集層，處于中間的是數據通信層，上層為系統的控制中心。底層的數據通信采用超寬帶技術，有效地保證了數據傳輸的準確性和及時性，而底層的嵌入式單片機為電源系統的遠程監控打下了良好的處理基礎。

[1]徐罡.電源監控系統關鍵技術的研究[D].南京：南京郵電大學，2006：177-179.

[2]屈軍鎖.物聯網通信技術[M].北京：中國鐵道出版社，2010：135-138.

Intelligent power technology of control system based on UWB technology

YAN Hai-yu
(Department of Communication Engineering,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

With the development of control technology, the reliability of power supply has become an important safeguard for control system.A variety of switching power supplies on the market were analyzed,and the intelligent power applied in remote control system was designed.The intelligent power is a remote controlled system based on UWB technology.It consists of two parts of the remote control center and intelligent control terminals.The system control center conducts remote management for intelligent power controller terminal via ultra-wideband technology. As the collection module of the power running state,the intelligent controller acts as the role of field data acquisition and control command execution.The intelligent power system has the advantages of good real-time and high control efficiency.

intelligent power;intelligent control;singlechip;UWB technology

TM 769

A

1002-087 X(2015)08-1762-02

2015-05-29

作者介紹：閆海煜(1981—)，男，陜西省人，碩士，講師，主要研究方向為電子技術、通信技術。