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嵌入式UPS远程控制管理系统设计
发布日期：2012-8-2 9:21:53    来源：    编辑：拓步ERP资讯网    浏览：173    评论

      摘要：以三星公司的ARM9处理器S3C2440为核心设计了一款嵌入式UPS远程控制管理系统。系统能够通过INTRANET局域网或现场终端实现对UPS的网络远程放电、现场手动放电、定期维护放电操作，及相应的远程和手动恢复市电操作，还具备过放电保护、市电异常保护、故障报警、现场数据采集、数据上传及显示等功能。测试结果表明系统可靠性高、操作方便，极大地提高了UPS的管理与维护效率，可广泛应用于银行、医院等重要领域。

    在ERP信息技术和网络技术的推动下，银行、医院、交通等关键领域的正常运转越来越依赖于其计算机ERP系统的高可靠性，可靠的供电系统是其最基本的保障，如果发生意外的断电事故，轻则影响当前的业务，重则引起系统数据丢失，造成重大经济损失。作为一种可靠的电源系统，UPS已成为这些重要行业的必备电源。
    UPS在市电正常供应时能对市电进行整流滤波、稳压调整，以便向负载提供稳定合理的电压，在市电中断时，可在极短的时间内开启自身的储备电源，经逆变后向负载供电，从而保证了关键设备的供电安全。
    当某系统的UPS规模达到一定程度时，对UPS电源系统进行统一的集中实时监控和管理，以实现高效且真正无人值守的管理就显得尤其重要。
    本文着重于UPS系统实际的远程智能管理需求，设计一种基于局域网浏览器／服务器(Browser／Server，B／S)架构的跨平台UPS远程智能控制管理系统。
1 系统整体方案
    系统充分考虑了标准化、可扩展性、高可靠性、易用性等设计原则，采用集中和分散相结合的方式实现对多个UPS电源的智能化远程控制和管理，系统整体拓扑结构如图1所示。
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    图1 系统整体拓扑结构
    管理人员可在远程计算机监控终端通过Intranet服务器访问系统内的监控模块，从而实现对每个UPS的远程管理和控制，并可实时查看每台UPS的工作参数和状态。
2 嵌入式监控模块
    UPS远程智能管理系统的关键部分是嵌入式监控模块，每一个UPS电源均通过一个监控模块与服务器相连。监控模块的设计采用ARM处理器S3C2440作为核心器件，外围辅以信号调理电路、多路模拟选通电路、12位串行AD转换电
    路、固态继电器驱动电路、键盘及指示电路、声光报警电路、EEPROM扩展电路、时钟电路、硬件看门狗等，实现数据上传、远程网络控制、现场控制、蓄电池定期维护、故障旁路等功能。图2所示为嵌入式监控模块框图。
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    图2 嵌入式监控模块框图
    监控模块首先对市电交流电压、UPS蓄电池直流电压、UPS输出交流电压和UPS交流输入电流进行采样，这些参数是判断UPS工作状态和对UPS进行保护的依据。市电交流电压和UPS输出交流电压经隔离的电压互感器转换为可直接转换的直流电压；蓄电池直流电压经高精度电阻分压后可直接采样；电流信号经电流互感器处理后变换为相应的直流电压信号。这些可采样的模拟信号经多路模拟开关CD4052选通后进入12位SPI接口的串行模数转换器ADS 1286，在ARM处理器S3C2440的控制下，依次转换为对应的数字信号并被S3C2440读取。
    监控模块的网络通信采用标准RJ45接口，网络芯片选用具有MAC控制器和物理层接口的RTL8019，S3C2440与RTL8019间主要通过数据、地址和控制三大总线连接。采集到的数据通过TCP方式上传到服务器，同时各个监控模块可通过UDP方式接收来自远程控制终端的操作命令。
    监控模块对UPS电源的控制均通过相应驱动电路改变固态继电器(Solid State Relay，SSR)的闭合状态实现。固态继电器与普通电磁继电器相比具有寿命长、可靠性高、灵敏度高、控制功率小、切换速度快、电磁干扰小等优点，非常适合于UPS智能管理系统的控制电路。
    此外，监控模块的其它辅助功能通过扩展相应的外围电路得以完善。系统关键参数的存储通过扩展EEPROM实现；为了实现准确定时和定期维护扩展了时钟芯片DS1302；预留了键盘接口以实现现场操作与控制；设计了硬件看门狗电路进一步提高了系统工作的可靠性；监控模块自身故障时，通过一个双刀双掷常闭同态继电器实现旁路功能，将市电直接接入UPS系统；RS232串行接口电路用作系统调试与相关参数设置；声光报警电路对偶发故障进行警告。
3 嵌入式系统软件设计
    本系统是一种基于浏览器／服务器(B／S)架构，具有高可靠性和高安全性的嵌入式远程监控管理系统，采用的是三星公司的ARM9处理器S3C2440，其软件设计内容主要包括嵌入式操作系统的引导程序(Bootioader)和内核设置、应用文件系统开发嘲。ARM处理器的特点和性能使得它非常适合运行嵌入式操作系统，而且功耗得到了很好的控制，系统采用嵌入式Linux操作系统，Linux具有很好的跨平台性和开源性，支持多种处理器体系结构，尤其对ARM的支持比较完善。系统软件设计的关键技术有：引导装载程序(Bootloader)的修改和移植，本系统采用的引导装载程序由三星公司研发的引导装载程序、vivi改进而来；嵌入式操作系统Linux内核的裁剪与移植啊；监控数据的实时采集与处理、嵌入式控制算法的编程实现；各层TCP／IP协议栈的实现，Socket性能的优化。
    电压、电流数据的采集通过编写应用文件，利用S3C2440的定时器和I／O口模拟CD4052的选通控制时序和ADSl286的SPI总线控制时序，实现多路信号的定时采样与读取，同时将采样数据经过相应处理后，采用TCP协议以IP数据报的形式通过Socket套接字编程实现上传。数据定时采样的中断子程序流程如图3所示，其中每采样一类数据后，都需要切换CD4052的通道并延迟一段时间，以便到达ADS1286的信号更稳定。全部数据采集一遍后需要将采样值变换为实际电压或电流值，附上工作状态标志位，并依据采样值和设定的相关参数判决是否执行必要的保护动作。
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图3 定时采样中断子程序流程图
    应用程序共实现了远程网络放电、网络恢复市电、蓄电池定期维护放电、现场手动放电、手动恢复市电、蓄电池过放电自动恢复等控制功能，同时还能判断市电停电、输入线路故障等意外放电状态，并且能够以命令的形式为系统的采样数据设置校准模型和参数，这些参数保存在EEPROM中，保证在掉电情况下不会丢失。远程充放电控制功能通过以UDP协议接收相应命令来实现，S3C2440根据接收到的命令字和参数判断完成何种操作，并通过输出接口电路改变各固态继电器的闭合状态执行动作。对接收到的远程命令进行处理的子程序流程图如图4所示。
    现场管理与控制通过编写键盘应用文件来实现，系统设计中考虑了管理方式的优先级问题，在远程网络放电的情况下，禁止在现场通过键盘改变UPS的工作状态。
    监控模块的IP地址、网关地址、端口号等网络通信参数通过上位机应用程序设置，在SC32440中编写相应的RS232串行通信应用文件接收上位机的参数设置命令。
4 B／S架构网络通信
    B／S架构网络通信通过控制终端浏览器访问服务器程序的方式实现，监控软件主要由网络服务器模块、通信模块和网络数据库三部分组成，结构如图5所示。
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    图4 远程命令处理子程序流程图
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    图5 监控软件模块框图
    服务器程序可以通过TCP／IP协议对注册登记过的远程嵌入式监控系统的口地址进行管理和访问，只要有Internet接入的地方，用户就可以通过浏览器登录服务器，以B／S模式对UPS设备群进行远程监控和管理。服务器程序涉及到的关键技术有：以太网网络通信原理，TCP／IP分层协议；B／S架构网络服务器软件实时监测、控制功能的实现；网络服务器软件登陆认证模式，系统安全性设计；通过IE浏览器登录服务器，远程浏览动态网页的功能；数据保存、生成报表和帮助功能。
5结论与展望
    嵌入式设备与Internet的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来。通过将嵌入式系统连接到Internet对UPS电源进行远程控制和管理，可以将所有现场UPS设备的信号通过网络传送并保存，并通过网络随时查看设备的状况，实现高度集中的真正无人值守管理。系统可达到的技术指标主要有：监控终端100个、单个终端模拟数据输入通道4路、转换分辨率12位、客户端数量5个。
    本系统具有极好的可靠性、安全性和易用性，已在某银行ATM网点试运行，运行状况良好，同时医院、交通、政府等部门都是本系统的潜在用户。系统功能还可根据用户需求进行扩展，亦可添加SIM卡短信报警和查询功能，进一步提高管理效率，市场发展前景可观。