（机械电子工程专业论文）海底观测网络水下节点后备电源管理系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 电能是海底观测网络的命脉，没有了电能整个海底观测网络就不能运作，海 底观测网络中每一个仪器的运行都离不开电能。利用海底观测网络水下节点后备 电源管理系统，可以实现海底观测网络水下节点的不间断供电功能，保持了海底 观测网络中各种传感器测量数据的连续性，和通信的不间断性，对海底观测网络 的不间断运行有着十分重要的作用。 本文首先分析了笔记本和u p s 的不间断供电原理，从而制定了海底观测网 络水下节点后备电源管理系统的总体方案和基本功能。其基本功能包括：不间断 供电功能、向下电能的分配功能、电压和电流电量的监控功能、电池的温度监控 功能、控制充电器开关的功能以及通过t c p i p 和r s 2 3 2 的通信功能。 海底观测网络水下节点后备电源管理系统硬件上采用t i 公司的超低功耗信 号处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，选用肖特基二极管实现不问断供电的切换，选购d c d c 模块实现向下电能的分配功能，使用分压的方法采集电池和整体输出的电压信 号，搭配霍尔电流传感器组成的电路采集电池的充电电流和系统整体输出电流信 号，选择负温度系数热敏电阻组成的电路采集电池的温度，通过机械继电器和光 耦控制充电器的开关，选购串口服务器实现t c p i p 通信功能。 使用v c 开发的基站上位机软件，在岸基上通过t c p i p 协议与海底观测网 络水下节点后备电源的下位机系统通信，把从下位机接收的数据进行处理与换 算、显示并存储到s q l 数据库中，来实时监测其工作状态，并且当发生系统故 障时，存入到s q l 数据库中的数据可以为l t 后的诊断工作提供参考。 最后通过实验证明了系统的可行性，证明了各个模块设计的正确性。当模拟 主干网的直流电切断后，通过肖特基二极管迅速切换为电池供电，接驳盒中工控 机的w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统没有受到影响，依然正常工作；存入数据库中的数 据证明了，切换的瞬间网络通信工作正常；同时存入数据库中的电压数据监控到 了切换瞬间的输出电压变化，即由模拟主干网的直流2 7 v 切换为电池电压2 4 v 。 实验还为海底观测网络水下节点后备电源管理系统的进一步研究和优化提供参 考和依据。 关键词深海网络不间断供电m s p 4 3 0 f 1 4 9v i s u a lc + + 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e ri st h el i f e b l o o dt ot h eo c e a nc a b l e do b s e r v a t i o nn e t w o r k ，t h e r el sn op o w e r t h a tt h es y s t e mw i l ln o tb ea b l et ow o r k w i t h o u tp o w e r , n os e n s o rc a l lw o r k u s i n g u n i n t e r r u p t e dp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m sf o ro c e a n c a b l e do b s e r v a t o r yn e t w o r kn o d e c a na c h i e v et h eu n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l yf u n c t i o n ，w h i c hh a sm a i n t a i n e dt h ed a t a f r o ms e n s o r sc o n t i n u i t ya n dt h eu n i n t e r r u p t e dc o m m u n i c a t i o n s ， a n dp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nu n i n t e r r u p t e do p e r a t i o nf o rt h eo c e a nc a b l e do b s e r v a t i o nn e t w o r k i nt h i sp a p e r , w ef i r m l ya n a l y z et h et h e o r yo ft h eu n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y f o rn o t e b o o ka n du p s ，s e c o n d l ym a k et h ew h o l ep l a no fu n i n t e r r u p t e dp o w e r m a n a g e m e n ts y s t e m sf o ro c e a nc a b l e do b s e r v a t o r yn e t w o r kn o d ea n dt h eb a s i c f u n c t i o n s t h ef u n c t i o n si n c l u d e ：t h eu n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ，t h el o wv o l t a g e d i s t r i b u t i o nt op r o v i d ep o w e rt oi n t e m a ll o a d sa n de x t e r n a ls c i e n c es e n s o r s ，t h e c u r r e n ta n dv o l t a g em o n i t o r i n g ，b a t t e r yt e m p e r a t u r em o n i t o r i n g ，c o n t r o l i n gt h es w i t c h o fc h a r g e r , c o m m u n i c a t i o n st h r o u g ht c p i pa n dr s 一2 3 2 w et a k et h eu l t r a - l o w - p o w e rs i g n a lp r o c e s s o rm s p 4 3 0 f14 9p r o d u c e db yt i c o m p a n ya st h em c u f o ru n i n t e r r u p t e dp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m sf o ro c e a nc a b l e d o b s e r v a t o r yn e t w o r kn o d e ，s e l e c ts c h o t t k y d i o d e st oa c h i e v eu n i n t e r r u p t e dp o w e r s u p p l ys w i t c hf u n c t i o n ，b u yd c d cc o n v e r t e r st oa c h i e v el o wv o l t a g ed i s t r i b u t i o n f u n c t i o n ，u s et h em e t h o do fa l l o tv o l t a g et oc o l l e c tv o l t a g es i g n a lo ft h eo v e r a l lo u t p u t a n dt h eb a n e r y , d e s i g nt h ec i r c u i tc o m p o s e do fh lc u r r e n ts e n s o r st oc o l l e c tt h e b a a e r yc h a r g ec u r r e n ta n dt h eo v e r a l lo u t p u tc u r r e n ts i g n a l ，d e s i g nt h ec i r c u i t c o m p o s e do fn e g a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ( n t c ) t h e r m i s t o rt oc o l l e c tt h eb a t t e r y t e m p e r a t u r e ，c o n t r o lt h ec h a r g e rs w i t c h i n gb yt h eo p t o c o u p l e ra n dt h em e c h a n i c a l r e l a y , b u yt h es e r i a ls e r v e rt oa c h i e v et c p i pc o m m u n i c a t i o n t h es o f t w a r eu s e di nu p p e rc o m p u t e rt h a ti sp r o g r a m m e dw i t hv ci ns h o r e s t a t i o n ，c o m m u n i c a t e sw i t hl o w e rc o m p u t e ro fu n i n t e r r u p t e dp o w e rm a n a g e m e n t s y s t e m sf o ro c e a n c a b l e do b s e r v a t o r yn e t w o r kn o d et h r o u g ht c p i pn e t w o r k ， p r o c e s s e sa n dc o n v e r t st h ed a t af r o ml o w e rc o m p u t e r , s h o w st h ed a t aa n ds t o r e si ti n s q ld a t a b a s e ，m o n i t o r st h e i rw o r ks t a t u sr e a l t i m e ，a n dw h e nt h es y s t e mf a i l s ，c a l l s d a t as t o r e di nt h es q ld a t a b a s eb a c kt og i v er e f e r e n c ef o rf u t u r ed i a g n o s t i cw o r k f i n a l l ye x p e r i m e n th a sp r o v e dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mt oe n s u r et h a tt h e d e s i g no fa l lp a r t si sc o r r e c t 、) l j h e nt h ea n a l o gb a c k b o n ed cp o w e ri sc u to f f , t h e s c h o t t k yd i o d es w i t c h sr a p i d l yt ob a u e r y p o w e r e d ，a n dt h ew i n d o w s 2 0 0 0o p e r a t i n g 浙汀大学硕士学位论文 s y s t e mr u n n i n gi nj u n c t i o nb o xi sn o ta f r e c t e d s t i l lw o r k sn o r m a l l y ；t h ed a t as t o r e di n d a t a b a s ep r o v e st h a t ，w h e ns w i t c h i n go c c u r ss u d d e n l y , t h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e n u p p e rc o m p u t e ra n dl o w e rc o m p u t e rt h r o u g ht h en e t w o r ki sn o r m a l ；a tt h es a m et i m e t h ed a t as t o r e di nd a t a b a s eh a sm o n i t o r e dt h eo u t p u tv o l t a g ec h a n g ew h e ns w i t c h i n g ， t h a ti s ，s w i t c h i n gf r o mt h ea n a l o gb a c k b o n ev o l t a g eo f2 7 vd ct ot h eb a t t e r yv o l t a g e o f2 4 vd c t h ee x p e r i m e n ta l s oc a np r o v i d et h er e f e r e n c ea n dt h eb a s i sf o rf u r t h e r r e s e a r c ha n dt h eo p t i m i z a t i o no fu n i n t e r r u p t e dp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m sf o ro c e a n c a b l e do b s e r v a t o r yn e t w o r kn o d e k e y w o r d s ：d e e ps e a ，n e t w o r k ，u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y , m s p 4 3 0 f 1 4 9 ， v i s u a lc + + i i i 浙江大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘江盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期吾b y 苏1 彩 1 年多月一日 | 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： ：菇摩q ， k ，二极管导通，肖特基二极管由 主干网供电切换成电池供电。 在海底观测网络后备电源管理系统运行的过程中，对电池的温度、电压、 电流等参数实时的监控，当给电池充电时遇到危险的情况立即断开电池。 当主干电网断电，后备电池的的电量也用光的时候，可以通过外部充电接 口给后备电池充电，来维持海底观测网络系统的运行。 并且提供了一个短时大电流供电接口，当有设备需要短时大电流供电，可 以插到后备电源接口上，然后接站发一个命令闭合开关3 ，可以实现短时大电 流供电的功能。 2 2 2 控制监测功能 监控的功能可以让整个系统的运行状态更明了，并且方便故障的诊断，如 图2 1 本系统要监控的对象有：后备电源整体输出电压v l 和电流i l ，电池的电 压v 2 和充电电流1 2 ，电池组的温度。控制的对象是只有一个充电器开关的控制。 2 2 3 电能分配功能 对整个海底观测刚络中的供电设备进行统计，然后对所需电压和功率进行 统计，最后再进行分配，并且留有余量。 主干电网降压后提供给后备电源管理系统的电压是3 0 v 。 需要分配的电压如表2 1 ： l o 晰f r 大学碰 # 能论女 表2 1 电能分配 女备电压( v d c )屯簿( a )功率f w ) t 机2 4l2 4 “6 0 灯 d a l a i o g g e r m 蚓m 务# l i 根据系统小同设备埘电压的要求，购买多个d c d c 模块来实现 2 2 4 串口和t c p i p 通信功能 后备电源管理系统有2 种通信方式： ( 1 ) 通过串口和接驳盒内的工榨机通信。 ( 2 ) 通过光交换机，光纤和基站l 位机通信 2 3 系统的组成部分 海底观测刚络后备电源管理系统的整体组成如图2 2 图2 - 2 海底观测网络后备电源管理系统组成图 包括： d c a c 模块：完成把3 0 v 的直流转为2 2 0 v 的交流为充电器使_ r | 浙江大学硕士学位论文 充电器：选择2 4 v 镍氢电池组的专用充电器型号3 p n 9 5 3 0 ，额定输入交流 1 0 0 - - , 2 4 0 v a c5 0 6 0 h z ，充电电流3 a ，1 0 小时充好，并且带有电池组温度保护， 过充保护功能。 镍氢电池组：锂电池遇水会爆炸，出于安全考虑选择镍氢电池组，容量为 3 0 a h 。 串口服务器：实现把串口和以太网r j 4 5 接口的连接。 d c d c 模块：实现把1 8 v - 3 6 v 电压转换为5 v 、9 v 、1 2 v 、2 4 v 供海底观 测网络接驳盒中的设备使用。 控制测量电路板：实现不间断供电功能和测量电压、电流、温度功能以及 控制功能。 热敏电阻：用来测量电池组的温度。 2 4 性能指标 1 、提供的输出电压：有2 4 v ，1 2 v ，9 v 和5 v ； 2 、工作时间：电池的容量是3 0 a h ，这样根据用电设备的多少统计出所消 2 n 耗电流的大小，进而可以计算出其提供的工作时间，工作时间t = 孚，这里t l 的单位是小时，电流i 的单位是a ： 3 、整体的输出电流：由选择的肖特基二极管和电路板布线的宽度决定了整 体的输出电流为1 0 a ； 4 、切换时间：用示波器测得的切换时间是纳秒级，一般计算机等设备，只 要其切换时间在毫秒的范围内，切换时都不会影响其工作状态。 5 、系统寿命：决定系统寿命的主要因素是电池的充放电次数。所选择的镍 氢电池组的循环充电次数是8 0 0 次左右，因为电池不用时会自放电，那么按照 2 个月充一次的要求就算，可以使用1 6 0 0 个月。 2 5 本章小结 本章介绍了后备电源管理系统的总体设计方案、基本功能。基本功能包括： 不间断供电功能、向下电能的分配功能、电压和电流电量的监控功能、电池的 温度监控功能、控制充电器开关的功能以及通过t c p i p 和r s 2 3 2 的通信功能， 并且相信介绍了肖特基二极管完成由主干网供电到电池供电切换的原理。最后 介绍了系统的性能指标。 1 2 浙江大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章系统的硬件设计 系统的硬件设计主要是芯片的选型和功能模块的电路设计以及外围电路设 计，包括电源d c d c 模块电路、m s p 4 3 0 外围电路、二极管的选择、电量测量 模块电路、电池温度测量电路、串口通讯模块电路、t c p i p 通信模块和充电器 开关的控制。 3 2d c l d c 模块电路 3 2 1m s p 4 3 0 控制板d c d c 模块电路 后备电源的控制板供电电压需要进行电压转换，才能满足控制板上芯片的 电压需求，控制板上芯片的电压需求如表3 1 ： 表3 - 1 芯片电压需求 ：卷片和传感器需求电压( v ) m s p 4 3 0+ 3 3 霍尔电流传感器 1 2 v 运算放大器 一3 3 v t l v 2 2 11i d b v t 和保护二极管 下面介绍电压转换的电路设计： l 、1 8 3 6 v 转1 2 v 采用l m 2 5 9 4 m a d jj 卷片1 2 2 1 ，外围电路如图3 1 ： 图3 1l m 2 5 9 4 m - a d j 芯片外围电路 l m 2 5 9 4 芯片特点： ( 1 ) 3 3 v , 5 v , 1 2 v , a n d 可调电压输出 1 3 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 可调电压输出范围：1 2 vt o3 7 v ( 3 ) 最大输出电流o 5 a ( 4 ) 最大输入电压6 0 v ( 5 ) 内部振荡器固定频率1 5 0k h z ( 6 ) 转换效率高 ( 7 ) 过热和限流保护 通过改变r 18 阻值的大小可以调节l m 2 5 9 4 m a d j 输出电压， 是： 刚s 一刚7 c 谗一 其计算公式 ( 3 1 ) 其中v r e f = i 2 3 v ，r 1 7 选择精度1 阻值l k q 的电阻，本系统中v o u r = 1 2 v ， 所以r - 8 的阻值是：r - 8 = r - 7 ( 连一 = l k q x ( 1 1 3 一- ) = 8 5 k q 2 、1 2 v 转1 2 v 采用m a x 7 6 5 e s a l 2 4 1 ，u - 敞, ，t a 。- ，外围电路图如图3 2 ： 图3 - 2m a x 7 6 5 e s a 芯片外围电路 m a x 7 6 5 ：签片特点： ( 1 ) 2 5 0 m a 最大输出电流 ( 2 ) 3 vt o1 6 v 的输入电压范围 ( 3 ) 3 0 0 k h z 转换频率 3 、1 2 v 转5 v 采用l m 2 5 9 4 m 一5 o 【2 5 1 ，电路图如图3 3 ： 勺面 t 莲匿 2 l 衄m 瑚e k c 纳蛳i l l c e a 。p l s 醯r l n 5 0 l ， =。= 图3 - 3l m 2 5 9 4 m - 5 0 外围电路图 4 、5 v 转3 3 v 采用a a t 3 2 2 1 芯片【2 6 1 ，电路图如图3 4 ： 1 4 黔 u蒜 浙江大学硕士学位论文 j 力 图3 - 4a a t 3 2 2 1 芯片外围电路 5 、3 3 v 转3 3 v 采用m a x 8 2 8 芯片，电路图如图3 5 ： - 3 3 唧 7 图3 5m a x 8 2 8 外围电路1 2 7 i m a x 8 2 8 芯片特点： 转换效率：9 5 ( 1 ) 输入电压范围：+ 1 5 vn + 5 5 v ( 2 ) 最大输出电流：2 5 m a ( 3 ) 工作频率：1 2 k h z 3 2 2 输出供电板d c d c 模块电路 表3 - 2d c d c 模块选型 输入电压( v )输出电压( v d c ) 功率( w ) 1 8 3 62 42 0 0 1 8 3 61 21 0 0 1 8 3 6 95 1 8 3 651 0 0 对接驳盒用电设备统计后，d c d c 模块的选型参数如表3 2 。 输出供电板是把1 8 v - 3 6 v 转换成5 v 、9 v 、1 2 v 、2 4 v 提供给外部设备供电 使用。这里外购4 个d c d c 模块，电路图如图3 6 ： 1 5 浙江大学硕士学位论文 图3 6d c i d c 模块电路 3 3m s p 4 3 0 外围电路 m s p 4 3 0 外围电路包括：时钟j 签片电路、参考电压的输出电压、复位电路和 仿真器接口电路。时钟选择3 2 7 6 8 h z ，复位芯片选择t p s 3 8 0 9 ，如图3 - 7 所示： 图3 - 7m s p 4 3 0 外围电路 1 6 m s p 4 3 0 ，占片上，p 63 、p 64 、p 65 、p 66 和p 67 引脚用来采集系统中的模 拟量，用v r e h 引脚产生25 v 的参考电压供热敏电阻的温度采集使用，川 p 34 、p 35 、p 36 和”7 引脚实现串口通讯，h jp 44 引脚产生33 v 电压驱动 ”：l i 芯片，用p 1l 控制光祸和机械继电器，从而控制充电器的开关。 3 4 二极管的选择 由于后备电源管理系统电池供屯时其电流比较人，所以选择肖特草二极管 j 弘呼m b r 2 5 3 5 1 ”i ，如图3 8 ，其额定整流电流2 5 a ，反相击穿电压3 5 v 。 3 囤3 - 8 肖特基二极管m b r 2 5 3 5 3 5 电量测量模块电路 i u 量的测量包括：后备电源镍氢电池组输出电 、充电电流的测量和后备 电瓣系统整体输出电压、电流的测帚。 3 5 1 电压测量原理 睹婴测量的 、范嗣是2 0 v - 3 0 v 所以采用电阻分压的方泣洲黾 3 5 2 电压测量电路 后备电源系统整体输出l 乜压测量l 乜路2 9 1 如图3 9 ： 鞠： u 2 5 图3 9 电压测量电路 秽 浙江大学硕士学位论文 镍氢电池组的电压和后备电源管理系统的整体输出电压范围是1 8 v - 3 0 v ， 所以其测量电路相同，如上图用电阻r 1 和r 5 分压后： 当测量电压o 。c 是1 8 v 时：、= 等等= 篆“5 y 当测量电压o d c 是3 0 v 时： v = 等等= 篆2 在m s p 4 3 0 的电压测量范围内，再经过运放跟随，最后通过2 个二极管保 护进行进入m s p 4 3 0 f 1 4 9 的a d 通道p 6 6 引脚。 这里运放的跟随作用是使输出电压与输入电压是相同，其显著特点就是， 输入阻抗高，而输出阻抗低。输入阻抗越高，那么信号在前级的输出电阻中损 耗就越小。这里应用电压跟随，提高了输入阻抗，这样输入信号的损耗可以大 幅度减小，提高了测量精度。 两个二极管起保护左右，当v ，电压高于3 3 v 或者低于3 3 v 时，不会进入 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的a d 通道，保护了处理器的安全。 镍氢电池组电压测量电路和后备电源系统整体输出电压测量电路基本一 样，如图3 1 0 所示用电阻r 1 3 和r 1 4 分压后，经过运放跟随，最后通过2 个 二极管保护进行进入m s p 4 3 0 f 1 4 9 的a d 通道p 6 6 引脚。 图3 - 1 0 镍氢电池组电压测量的原理图 3 5 3 电流测量原理1 7 i 使用霍尔电流传感器测量，霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的。当通 有小电流的半导体薄片置于磁场中时，如图3 1 l ，半导体内的载流子受洛伦兹 力的作用发生偏转，使半导体两侧产生电势差，该电势差即为霍尔电压v h ，v h 与磁感应强度b 及控制电流i c 成正比，经过理论推算有下式关系。 v ，= r b 儿 ( 3 2 ) 1 8 浙江大学硕士学位论文 式中：b 为磁感应强度； i c 为控制电流； r h 为霍尔系数； d 为半导体厚度。 v n 图3 1 1 霍尔元件原理 式3 2 中，若保持控制电流i c 不变，在一定条件下，可通过测量霍尔电压 推算出磁感应强度的大小，由此建立了磁场与电压信号的联系。根据这一关系 式，人们研制出了用于测量磁场的半导体器件，即霍尔器件，进而研究出霍尔 电流电压传感器。 闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的，如图3 1 2 ，即原边电流i n 所产生的磁场，通过一个副边线圈的电流i m 所产生的磁场进行补偿，使霍尔器 件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁：卷中达 到平衡时，即 n l ，2 2 ( 3 3 ) 式中：n l 为原边线圈的匝数； n 2 为副边线圈的匝数。 测量输出 测量电阻 图3 12 闭环霍尔电流传感器的工作原理 由式( 3 3 ) n - j 以看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边 补偿电流i m 的大小，即可推算出原边电流，i n 的值，从而实现了原边电流的隔 离测量。 1 9 浙江大学硕士学位论文 3 5 4 电流测量电路 后备电源系统整体输出电流测量的原理图如图3 1 3 ： 图3 1 3 后备电源系统整体输出电流测量电路图 采用l e m 公司闭环霍尔电流传感器l a 5 8 p f 3 0 1 ，如图3 1 4 ，l a 5 8 一