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摘要：针对铁路系统中计算机必须在不断电的情况下对多路UPS同时在线维护的应用需求，结合现代智能控制技术，利用微控制器较强的数据运算和逻辑处理能力，设计实现了一种基于单片机的多路UPS电池维护仪。给出了多路UPS电池维护仪的方案设计、硬件设计和软件设计。可实现多路UPS同时在线维护监测是本设计的最大优点。试验表明本系统具有可靠性高、操作方便、投切速度快、性能良好等优点，适用于多路UPS同时在线维护。
关键词：多路UPS；单片机；在线维护；电压测量；放电电阻
作者简介：薛长松（1979-），男，河南南阳人，信息工程大学信息工程学院，工程师。（河南 郑州 450002）白伟（1985-），男，陕西榆林人，神华陕西国华锦界能源有限责任公司设备一部，助理工程师。（陕西 榆林 719300）
中图分类号：TN948 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）21-0115-02
UPS（不间断电源）以其体积小、效率高、无噪声振动、维护费用低、可靠性高等优点，广泛应用于计算中心、通信系统、工业控制等重要场所。[1]作为UPS的核心组件，UPS蓄电池组的好坏决定着UPS的整体性能。实际运行统计表明，UPS蓄电池故障在UPS电源故障中的概率为50%以上。UPS蓄电池故障主要体现在端电压不足、瞬间放电电流不满足带载启动要求等。[2]
对蓄电池进行实时在线监测和故障诊断是UPS电池维护工作的一个重要任务。[3]传统对UPS蓄电池端电压检测多采用万用表测量，对其容量测量多采用并联放电电阻恒流放电来估算其容量，但其在测量中存在UPS脱离系统、放电时间长、需人工参与、安全性能差等问题。
微处理器的发展为UPS蓄电池维护监测提供新的思路，[4，5]采用先进的微控制器可以实现UPS蓄电池在线维护，但现代大多数智能UPS电池维护系统仅能实现单路UPS在线维护，若对多路UPS同时实现在线维护不太理想，不能满足实际应用需求。[6]本文针对铁路系统中计算机对UPS的应用需求，利用微控制器较强的数学运算和逻辑处理能力，设计实现了一种基于单片机的多路UPS电池维护仪，实际应用表明该系统具有维护时间短、操作方便、性能稳定、切换速度快等优点，克服了传统UPS蓄电池维护方法上的不足，满足了铁路系统中UPS的维护需求，本设计可同时实现对五路UPS蓄电池进行维护。
一、系统总体设计思路
为满足铁路系统中必须在计算机不断电情况下同时对多路UPS实现在线维护，本设计以单片机为微控制器，结合现代电子技术，实现对多路UPS电池的在线智能维护，克服现代UPS电池在线维护不能满足多路UPS同时维护的不足。系统总体设计如图1所示，采用切换市电与UPS逆变电源进行电池维护的解决方案，通过直接用UPS对假负载进行电池放电，而电池容量的测量可以在电池充放电同时进行（即在线测试）；在对UPS电池维护时，计算机直接采用市电供电，从而保证在不断电情况下对UPS电池维护。在电池维护时监测市电是否正常，当市电发生异常，UPS停止维护，恢复对计算机供电，充分保证计算机供电的可靠性。
另外，通过测量电池在放电时所能提供的电量（电压、电流等）来监视电池是否损坏，为系统安全可靠运行提供可靠保障。
二、硬件电路设计
1.主线路设计
现代智能UPS电池维护设备大部分仅能实现单路UPS供电，若要同时实现多路UPS电池维护，每一路都要配上维护设备，增加了维护成本和维护的复杂度。针对该问题，本系统结合继电器的控制作用实现五路UPS电池在线维护。主接线图如图2所示，正常运行状态下，继电器J1闭合，由市电经UPS后对计算机供电，此时控制电路主要完成监测UPS输出电压及市电是否输出正常。当需要对指定UPS电池进行维护时，断开指定线路上继电器J1同时将指定线路继电器J2由UPS供电切换到市电供电，此后闭合指定线路继电器J3，投入放电电阻。通过对放电电阻电流及电压测量，计算其消耗的能量（即估算UPS电池容量），完成对UPS电池的维护。
在市电和UPS供电之间切换时，为保证切换时间足够短，须选择动作比较快的快速继电器（吸合、释放时间均应小于等于10ms），以满足计算机不间断供电时电池维护的需求。正常维护时市电断开时应自动停止维护，切换至UPS供电。
2.控制电路设计
控制电路设计框图如图3所示，主要由以下电路模块组成：多路UPS主线路模块、继电器控制驱动模块、电流/电压数据采集模块、微控制器控制电路、RS485通信、测温及扩展模块、键盘与LCD显示模块、蜂鸣器及电铃报警电路单元等。
继电器驱动模块主要由继电器组和GAL16V8驱动电路组成，控制系统进入正常工作或维护模式。电流/电压数据采集模块由两块CS5460组成，采集在不同模式下的电流、电压值，该芯片采用I2C串行通信进行数据和控制指令传输，有利于提高单片机引脚使用率。LCD显示模块采用240×128点阵带中文字库LCD，支持并行接口，既方便与单片机接口，也方便进行人机信息交换。RS485通信模块便于数据远距离传输，用于事件数据上传和用户参数在线设定。键盘模块实现与用户交互功能，仅实现简单控制，采用单片机引脚直接扩展、软件消抖方式，从而降低硬件复杂程度以及系统成本。微控制器控制电路由单片机及其外围电路组成，由于该系统使用的场合为户外或室内但无暖气、空调等取暖、降温设备，故在单片机选择上要求性能稳定可靠、价格低且易于实现，且由于系统的运行速度要求并不高，因此我们选择AT89C58单片机。上位机软件模块采用VB编程，人机交互界面友好，使用方便，并能用数据库保存历史数据以方便以后对系统电池的维护。测温、扩展模块采用1Write总线的DS18B20数字测温IC，测出环境温度后，校准维护时比较用的预设值，提高电池容量的测量精度。系统预留一定数量的数字和模拟量输入输出模块，便于功能扩展和产品的升级。
三、软件设计与实现
软件设计主要由系统初始化及主体控制循环程序组成，主体控制循环程序根据系统运行任务需求可调用各个模块子程序。子程序按模块功能可分为系统控制子程序、CS5460驱动程序、LCD显示程序、读键盘程序、时钟芯片DS1302驱动程序、通信程序、温度传感器DS18B20驱动程序等。
1.系统初始化及主体控制循环程序设计
系统初始化及自检循环如图4所示，系统上电复位后必须进行初始化设置和监测，例如堆栈指针设置、串行口、定时器工作方式初始化等，调用系统初始化函数完成系统参数初始化如LCD显示屏初始化、系统所用到全局变量初始化、系统logo界面显示、加载系统初始化参数定值等；读取市电及各路UPS输出电压值后进入主循环程序。系统运行状态分为正常模式和维护模式，当运行于正常模式时，主程序实现市电、UPS各路电压参数读取与显示、调用系统控制子程序、读取系统时钟、读取键盘参数及当前环境温度等任务。当处于维护模式时，通过调用系统控制子程序进行维护操作和监测系统运行，同时读取并显示当前监测到的参数值如时间、温度、电压等。
2.系统控制程序设计
系统控制程序主要实现系统的正常运行监测和维护操作。正常模式下，处理各线路电压参数，监测市电及UPS输出电压是否正常（如欠压或过压等），当任一线路电压发生异常时，置位错误标志位。在维护模式下，首先判断UPS输出电压是否正常，输出正常且UPS电池放电能量达到设定值则认为UPS电池正常，反之认为其失效；在维护过程中若市电发生异常，则UPS停止维护模式，投入UPS供电，置位市电异常标志位并发出报警信号；若采用自动维护或手动维护时须判断维护是否完成，标志相应标志位；根据放电电阻温度设定上限启动或关闭散热风扇运行。
3.CS5460驱动程序设计
CS5460驱动程序包括CS5460芯片初始化和读取各路电压、维护时放电电阻电压电流参数等。CS5460初始化包括设置命令寄存器、电压偏置寄存器、电压增益寄存器、配置寄存器等；在正常运行模式下读取各路电压参数，维护模式下根据实时测得放电电阻电压、电流瞬时值计算其消耗能量。[7]
四、试验结果与分析
经试验测试，多路UPS电池维护时，由UPS供电切换至市电供电动作时间最大值为12.4ms，满足计算机供电不间断供电要求；退出维护模式时，由市电供电切换至UPS供电电源动作时间最大值为10.3ms；在维护过程中，市电发生异常时恢复UPS供电的电源投切时间最大值为11.5ms。
五、小结
本设计实现了多路UPS电池的在线维护，具有操作方便、性能稳定、功能齐全等优点，克服传统UPS电池维护的困难，弥补现代UPS电池在线智能维护方案之不足，使困扰蓄电池智能化监测的难题得到很好解决，在后续工作中可以加入网络化管理系统，使该产品系列化、整体化。
参考文献：
[1]Roberts,Bradford P.Off Line UPS for Computer Power Applications[J].Telecommunications Energy Conference,1982.
[2]Gun J.-P.,Fiorina J.N.,Fraisse M.,Mabboux H.Increasing UPS battery life main failure modes,charging and monitoring solutions[J].Telecommunications Energy Conference,1997,386-396.
[3]Carle R.H.An Overview of UPS Systems:Technology,Application,and Maintenance[J].Industry applications magazine of IEEE,2007,1(6):159-191.
[4]Zanei G.,Cevenini E.,Ruff H.,Ulibas O.Integrated systems for UPS:New solutions in the power quality chain[J].Telecommunications Energy Conference,2007,582-586.
[5]Chia-Hung Lien,en-Chieh Lin,Ying-Wen Ba.Design and implementation of a remotely controllable UPS outlet system[J].IEEE International Symposium,2008,1-4.
[6]曹保国.UPS应用技术[M].北京:化学工业出版社,2008.
[7]Single phase bi-directional power/energy IC[Z].http://www.cirrus.com.
（责任编辑：麻剑飞）
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关键词：多路UPS；单片机；在线维护；电压测量；放电电阻
作者简介：薛长松（1979-），男，河南南阳人，信息工程大学信息工程学院，工程师。（河南 郑州 450002）白伟（1985-），男，陕西榆林人，神华陕西国华锦界能源有限责任公司设备一部，助理工程师。（陕西 榆林 719300）
中图分类号：TN948 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）21-0115-02
UPS（不间断电源）以其体积小、效率高、无噪声振动、维护费用低、可靠性高等优点，广泛应用于计算中心、通信系统、工业控制等重要场所。[1]作为UPS的核心组件，UPS蓄电池组的好坏决定着UPS的整体性能。实际运行统计表明，UPS蓄电池故障在UPS电源故障中的概率为50%以上。UPS蓄电池故障主要体现在端电压不足、瞬间放电电流不满足带载启动要求等。[2]
对蓄电池进行实时在线监测和故障诊断是UPS电池维护工作的一个重要任务。[3]传统对UPS蓄电池端电压检测多采用万用表测量，对其容量测量多采用并联放电电阻恒流放电来估算其容量，但其在测量中存在UPS脱离系统、放电时间长、需人工参与、安全性能差等问题。
微处理器的发展为UPS蓄电池维护监测提供新的思路，[4，5]采用先进的微控制器可以实现UPS蓄电池在线维护，但现代大多数智能UPS电池维护系统仅能实现单路UPS在线维护，若对多路UPS同时实现在线维护不太理想，不能满足实际应用需求。[6]本文针对铁路系统中计算机对UPS的应用需求，利用微控制器较强的数学运算和逻辑处理能力，设计实现了一种基于单片机的多路UPS电池维护仪，实际应用表明该系统具有维护时间短、操作方便、性能稳定、切换速度快等优点，克服了传统UPS蓄电池维护方法上的不足，满足了铁路系统中UPS的维护需求，本设计可同时实现对五路UPS蓄电池进行维护。
一、系统总体设计思路
为满足铁路系统中必须在计算机不断电情况下同时对多路UPS实现在线维护，本设计以单片机为微控制器，结合现代电子技术，实现对多路UPS电池的在线智能维护，克服现代UPS电池在线维护不能满足多路UPS同时维护的不足。系统总体设计如图1所示，采用切换市电与UPS逆变电源进行电池维护的解决方案，通过直接用UPS对假负载进行电池放电，而电池容量的测量可以在电池充放电同时进行（即在线测试）；在对UPS电池维护时，计算机直接采用市电供电，从而保证在不断电情况下对UPS电池维护。在电池维护时监测市电是否正常，当市电发生异常，UPS停止维护，恢复对计算机供电，充分保证计算机供电的可靠性。
另外，通过测量电池在放电时所能提供的电量（电压、电流等）来监视电池是否损坏，为系统安全可靠运行提供可靠保障。
二、硬件电路设计
1.主线路设计
现代智能UPS电池维护设备大部分仅能实现单路UPS供电，若要同时实现多路UPS电池维护，每一路都要配上维护设备，增加了维护成本和维护的复杂度。针对该问题，本系统结合继电器的控制作用实现五路UPS电池在线维护。主接线图如图2所示，正常运行状态下，继电器J1闭合，由市电经UPS后对计算机供电，此时控制电路主要完成监测UPS输出电压及市电是否输出正常。当需要对指定UPS电池进行维护时，断开指定线路上继电器J1同时将指定线路继电器J2由UPS供电切换到市电供电，此后闭合指定线路继电器J3，投入放电电阻。通过对放电电阻电流及电压测量，计算其消耗的能量（即估算UPS电池容量），完成对UPS电池的维护。
在市电和UPS供电之间切换时，为保证切换时间足够短，须选择动作比较快的快速继电器（吸合、释放时间均应小于等于10ms），以满足计算机不间断供电时电池维护的需求。正常维护时市电断开时应自动停止维护，切换至UPS供电。
2.控制电路设计
控制电路设计框图如图3所示，主要由以下电路模块组成：多路UPS主线路模块、继电器控制驱动模块、电流/电压数据采集模块、微控制器控制电路、RS485通信、测温及扩展模块、键盘与LCD显示模块、蜂鸣器及电铃报警电路单元等。
继电器驱动模块主要由继电器组和GAL16V8驱动电路组成，控制系统进入正常工作或维护模式。电流/电压数据采集模块由两块CS5460组成，采集在不同模式下的电流、电压值，该芯片采用I2C串行通信进行数据和控制指令传输，有利于提高单片机引脚使用率。LCD显示模块采用240×128点阵带中文字库LCD，支持并行接口，既方便与单片机接口，也方便进行人机信息交换。RS485通信模块便于数据远距离传输，用于事件数据上传和用户参数在线设定。键盘模块实现与用户交互功能，仅实现简单控制，采用单片机引脚直接扩展、软件消抖方式，从而降低硬件复杂程度以及系统成本。微控制器控制电路由单片机及其外围电路组成，由于该系统使用的场合为户外或室内但无暖气、空调等取暖、降温设备，故在单片机选择上要求性能稳定可靠、价格低且易于实现，且由于系统的运行速度要求并不高，因此我们选择AT89C58单片机。上位机软件模块采用VB编程，人机交互界面友好，使用方便，并能用数据库保存历史数据以方便以后对系统电池的维护。测温、扩展模块采用1Write总线的DS18B20数字测温IC，测出环境温度后，校准维护时比较用的预设值，提高电池容量的测量精度。系统预留一定数量的数字和模拟量输入输出模块，便于功能扩展和产品的升级。
三、软件设计与实现
软件设计主要由系统初始化及主体控制循环程序组成，主体控制循环程序根据系统运行任务需求可调用各个模块子程序。子程序按模块功能可分为系统控制子程序、CS5460驱动程序、LCD显示程序、读键盘程序、时钟芯片DS1302驱动程序、通信程序、温度传感器DS18B20驱动程序等。
1.系统初始化及主体控制循环程序设计
系统初始化及自检循环如图4所示，系统上电复位后必须进行初始化设置和监测，例如堆栈指针设置、串行口、定时器工作方式初始化等，调用系统初始化函数完成系统参数初始化如LCD显示屏初始化、系统所用到全局变量初始化、系统logo界面显示、加载系统初始化参数定值等；读取市电及各路UPS输出电压值后进入主循环程序。系统运行状态分为正常模式和维护模式，当运行于正常模式时，主程序实现市电、UPS各路电压参数读取与显示、调用系统控制子程序、读取系统时钟、读取键盘参数及当前环境温度等任务。当处于维护模式时，通过调用系统控制子程序进行维护操作和监测系统运行，同时读取并显示当前监测到的参数值如时间、温度、电压等。
2.系统控制程序设计
系统控制程序主要实现系统的正常运行监测和维护操作。正常模式下，处理各线路电压参数，监测市电及UPS输出电压是否正常（如欠压或过压等），当任一线路电压发生异常时，置位错误标志位。在维护模式下，首先判断UPS输出电压是否正常，输出正常且UPS电池放电能量达到设定值则认为UPS电池正常，反之认为其失效；在维护过程中若市电发生异常，则UPS停止维护模式，投入UPS供电，置位市电异常标志位并发出报警信号；若采用自动维护或手动维护时须判断维护是否完成，标志相应标志位；根据放电电阻温度设定上限启动或关闭散热风扇运行。
3.CS5460驱动程序设计
CS5460驱动程序包括CS5460芯片初始化和读取各路电压、维护时放电电阻电压电流参数等。CS5460初始化包括设置命令寄存器、电压偏置寄存器、电压增益寄存器、配置寄存器等；在正常运行模式下读取各路电压参数，维护模式下根据实时测得放电电阻电压、电流瞬时值计算其消耗能量。[7]
四、试验结果与分析
经试验测试，多路UPS电池维护时，由UPS供电切换至市电供电动作时间最大值为12.4ms，满足计算机供电不间断供电要求；退出维护模式时，由市电供电切换至UPS供电电源动作时间最大值为10.3ms；在维护过程中，市电发生异常时恢复UPS供电的电源投切时间最大值为11.5ms。
五、小结
本设计实现了多路UPS电池的在线维护，具有操作方便、性能稳定、功能齐全等优点，克服传统UPS电池维护的困难，弥补现代UPS电池在线智能维护方案之不足，使困扰蓄电池智能化监测的难题得到很好解决，在后续工作中可以加入网络化管理系统，使该产品系列化、整体化。
参考文献：
[1]Roberts,Bradford P.Off Line UPS for Computer Power Applications[J].Telecommunications Energy Conference,1982.
[2]Gun J.-P.,Fiorina J.N.,Fraisse M.,Mabboux H.Increasing UPS battery life main failure modes,charging and monitoring solutions[J].Telecommunications Energy Conference,1997,386-396.
[3]Carle R.H.An Overview of UPS Systems:Technology,Application,and Maintenance[J].Industry applications magazine of IEEE,2007,1(6):159-191.
[4]Zanei G.,Cevenini E.,Ruff H.,Ulibas O.Integrated systems for UPS:New solutions in the power quality chain[J].Telecommunications Energy Conference,2007,582-586.
[5]Chia-Hung Lien,en-Chieh Lin,Ying-Wen Ba.Design and implementation of a remotely controllable UPS outlet system[J].IEEE International Symposium,2008,1-4.
[6]曹保国.UPS应用技术[M].北京:化学工业出版社,2008.
[7]Single phase bi-directional power/energy IC[Z].http://www.cirrus.com.
（责任编辑：麻剑飞）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文