智能电源控制模块硬件概要设计方案v11.docx
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智能电源控制模块硬件概要设计方案v11.docx
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智能电源控制模块硬件概要设计方案v11
目录
1引言5
2开发项目说明8
3历史及修改原因8
4功能与性能指标8
5系统结构框图8
5单板命名9
6关键技术9
6.1电源输出端口控制9
6.2电压的监控12
6.3温度的测量13
6.416
7关键器件16
8可靠性、安全性、电磁兼容性设计16
9电源设计16
10工艺结构设计16
10.1造型设计方案16
10.2结构设计方案16
10.3安装设计方案16
10.4结构热设计方案17
10.5结构EMC设计方案17
10.6可生产性设计准则17
10.6.1单板/背板可装配性准则17
10.6.2整机/配线可装配性准则17
10.7产品生产方式17
10.8工艺继承性17
10.9产品制造方案和质量控制点方案17
10.10关键工艺的解决方案17
11测试设计17
12开放性设计18
12.1开放的标准硬件接口18
12.2开放的体系结构18
13评审报告18
智能电源控制模块硬件概要设计方案
关键词:
摘要:
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1引言
这个智能的电源控制模块首先从成本上考虑,采用单片机实现成本较低,但flash和ram有限,工作速率较低,一般为8位,16位;最大的flash有256kB,ram有32kB,需要综合考虑软件架构的需求;采用通用的嵌入式cpu,如arm内核,freescale的coldfire内核系列,mips内核系列相关的芯片等,都可以实现,但是大部分都成本较高,而且需要外接内存芯片,如flash,sdram等;
选择主芯片还有以下要求:
A.考虑到要能够支持远程控制和管理,该所以单片机需要较好的支持TCP/IP,SNMP等网络协议;标准51单片机指令系统复杂,指令过多,有111条指令,执行一条指令需要12~48个时钟周期,内部RAM太少,只有256B;51采用CISC指令系统,寻址方式多样,可以较容易的设计出复杂功能的程序,但多数指令执行时间不均等,单位时间的执行效率低;由于SNMP的编解码需要占用很多CPU时间,并且在单片机上还要实现A/D数据采集转换、以太网通信、串口通信等功能,这就使得协调各个功能非常困难,因此,RISC单片机比较适合我们的需求;
B.由于需要支持本地和远程的控制,单片机要求集成了10/100M以太网口,没有的话,也必须容易扩展出以太网口;如果要实现冗余用网口,也就是双网口,那么单片机至少需要自带一个网口;
C.抗干扰能力要强,可靠性,稳定性以及使用寿命要求较高,而且工作温度范围要宽;
通过上述要求的筛选,符合要求的单片机并不多,大多数单片机都不带10/100M以太网口,外部扩展也有难度,在TCP/IP,WEB功能上的支持力度都不是很好满足上述要求的单片机主要就是Freescale的几款芯片:
(1).Freescale有一款16bit的单片机,带10/100M以太网口,能很好的支持TCP/IP协议,不过成本较高,而且输入电压要求在3.1-3.5V,管脚较多,分别采用LQFP112和TQFP80封装;
这款芯片由于工艺较老,故成本较高,大约在70¥左右(1k量)
(2).飞思卡尔半导体又在其广泛的32位ColdFire®系列产品基础上新增了10款高度集成的微控制器(MCU);其中MCF5223X系列的主要功能免费以太网堆栈支持ARP、IP、ICMP、UDP、TCP、DHCP、BOOTP和TFTP,符合RFC标准,V2ColdFire内核在50MHz能达到46Dhrystone(2.1MIPS),32KBSRAM;256KB闪存,带集成EthernetPHY的10/100EthernetMAC,提供同步取样的8信道10位数模转换器,串行接口:
3xUART,1x排队SPI和2xI2C,带32kHz振荡器的实时时钟(RTC),多达56个通用I/O;经寻价最便宜的MCF52232,cpu速率50Mhz,总线速率25Mhz,处理能力在40mip以上,128KB闪存,16KBSRAM,建议零售价50¥左右(1k量);MCF52236,cpu速率50Mhz,总线速率25Mhz,处理能力在40mip以上,256KB闪存,32KBSRAM,建议零售价55¥左右(1k量)
Features
MCF52230
MCF52231
MCF52232
MCF52233
MCF52234
MCF52235
MCF52236
Core
V2ColdFireCore
V2ColdFireCore
V2ColdFireCore
V2ColdFireCore
V2ColdFireCore
V2ColdFireCore
V2ColdFireCore
Flash
128Kb
128Kb
128Kb
256Kb
256Kb
256Kb
256Kb
Speed
60Mhz
60Mhz
50Mhz
60Mhz
60Mhz
60Mhz
50Mhz
CAN
-
1
-
-
1
1
-
Crypto
no
no
no
no
no
yes
no
Package
80,112-pinLQFP
80,112-pinLQFP
80-pinLQFP
80,112-pinLQFP
112-pinLQFP
121MAPBGA
112-pinLQFP
121MAPBGA
80-pinLQFP
通用的嵌入式CPU有很多种,曾经使用过的主要有三种,分别是三星的S3C4510B,Micrel的KS8695,以及MARVELL的88E6218,其中S3C4510B是ARM7内核,内部没有集成PHY,需要外部扩展;KS8695和88E6218都是ARM9的内核,内部都集成了多口PHY,芯片工作速率都可达166M;
通过上述资料及数据,可以得出下表
芯片方案选型
最小系统硬件成本(1000套)¥
特点
控制子板总成本估算
Freescale
MCF52236
(假设芯片内部存储空间足够)
55(主芯片)+2.5(插装晶振)=57.5
较好的软件开发支持,包括TCP/IP;内部集成128KBflash,32KBsram,集成10/100MPHY
温度范围-40~85度,芯片适合工控,稳定性及可靠性较好;芯片内部存储空间有限,对功能上可能会有限制;
57.5+20=77.5
三星
S3C4510B
32(主芯片)+8(单口PHY)+13.5(SDRAM)+8.5(FLASH)+2.5(插装晶振)+40(16路AD)=104.5
有过成熟的开发,包括TCP/IP;外部扩展8MBSDRAM,2MFLASH,外部扩展1个10/100M以太网口,温度范围0~70度,芯片适合商用;芯片外围器件较多,稳定性及可靠性较差;
104.5+20=124.5
Micrel
KS8695
48(主芯片)+13.5(SDRAM
)+8.5(FLASH)+2.5(插装晶振)+40(16路AD)=112.5
有过成熟的开发,包括TCP/IP;集成10/100MPHY,外部扩展8MBSDRAM,2MFLASH,温度范围0~70度,芯片适合商用;芯片外围器件较多,稳定性及可靠性较差;
112.5+20=132.5
MARVELL
88E6218
44(主芯片)+13.5(SDRAM)+8.5(FLASH)+2.5(插装晶振)+40(16路AD)=108.5
有过成熟的开发,包括TCP/IP;集成10/100MPHY,外部扩展8MBSDRAM,2MFLASH,温度范围0~70度,芯片适合商用;芯片外围器件较多,稳定性及可靠性较差;
108.5+20=128.5
2开发项目说明
正式名称:
正式型号:
3历史及修改原因
4功能与性能指标
详见下表:
子卡
端口配置
固定端口
2
10/100M以太网口
1
RS232串口
1
功能特性
交流电压(8路),电流(8路)指示
输入端支持
温度监控及指示
支持
数据加密
支持
管理
管理方式
Web,命令行,telnet,
集群管理
支持
升级
支持本地升级和远程升级
5系统结构框图
5单板命名
6关键技术
电源输出端口控制
(1)端口输出电流测量
普通电源插座的电路图如下:
要实现远程检测并控制电源插座输出,就必须知道输出的状态,并可通过继电器对输出进行控制;电路图如下
当继电器导通时,所有输出的电压是相等的,所以不能通过测量某输出端口的电压来检测负载的工作状态是否正常;而通过检测各输出端口火线或零线上的电流,就可以知道所挂负载是否工作,以及分别使用了多少功率,是否超过阀值;并且可通过比较火线或零线上的电流大小,可以知道是否地线漏电以及其他错误状态;当然这样会增加cpu工作量,所以也可以考虑只检测火线或是零线电流;
见下图(只描述一路输出)
如果只测一路电流,可采用电流互感器,见下图
如果主芯片的AD通道只有8路,而每个输出端口的电流测量都占用一路的话,则电压及温度测量就只能使用其他方式测量,例如采用专用芯片,这样无疑成本会有较大上升;
这时,可以参考使用一个AD通道,通过模拟开关切换,同时采样两个输出端口的电流;见下图
(2)由于继电器状态以及电流状态直接与网管页面上的输出状态挂钩,所以有必要对输出状态以及异常状态报警进行规划和论证;
假设每个输出端口有4种状态,分别用绿色,灰色,黄色,红色来表示,见下表
颜色
硬件相关参数
说明
绿
继电器导通,有电流
输出正常,负载处于工作状态
灰
继电器导通,无电流
输出正常,负载未处于工作状态
黄
继电器断开,无电流
CPU主动断开继电器,负载未处于工作状态
红
继电器断开,无电流
由于异常,继电器调闸,负载未处于工作状态
黄和红两种状态的区分可以通过软件来实现,主要确认是否是CPU下的指令;
电压的监控
电压的监控可以在输入端进行,将220V通过电阻分压或电压互感器降压和处理后可以接到CPU的AD进行采样;
A.通过电阻分压进行电压测量,缺点是没有隔离,强电容易对弱电电路产生影响
B.通过电压互感器进行降压和处理,优点是有隔离,精度较高,成本较高;
温度的测量
温度测量有多种实现方式,下面就详细介绍4种方式
A.采用热敏电阻、信号放大电路以及A/D转换
热敏电阻具有负的电阻温度特性,当温度升高时,电阻值减小,它的阻值—温度特性曲线是一条指数曲线,非线性度较大。
而对于本设计,因为温度要求不高,是在室温环境下,热敏电阻的阻值与环境温度基本呈线性关系,这样可以通过电阻分压简单地将温度值转化为电压值。
给热敏电阻通以恒定的电流,可得到电阻两端的电压,根据与热敏电阻特性有关的温度参数T0以及特性系数k,可得下式
T=T0-kV(t)
(1)
式中T为被测温度。
根据上式,可以把电阻值随温度的变化关系转化为电压值随温度变化的关系,由于热敏电阻的电信号一般都是毫伏级,必须经过放大,将热敏电阻测量到的电信号转化为0~3.6之间,才能在单片机中使用。
下图为放大电路原理图。
稳压管的稳压值为1.5V。
数模转换部分使用单片机自带的A/D转换器,能同时实现数模转换和控制,免去使用专用的转换芯片,使系统处理速度更快,精度更高;
该方案的优势是成本较低(在2-3¥),精度较高(可精确到0.1度);如果单片机的A/D转换器不够,需要外接的话,那么该方案的成本优势就不明显了,而且电路会较复杂;
B.利用单片机多余I/O口实现的温度检测电路
P1.0、P1.1和P1.2是单片机的3个I/O脚;
RK为100k的精密电阻;
RT为100K-精度为1%的热敏电阻;
R1为100Ω的普通电阻;
C1为0.1μ的瓷介电容。
其工作原理为:
先将P1.0、P1.1、P1.2都设为低电平输出,使C1放电至放完。
将P1.1、P1.2设置为输入状态,P1.0设为高电平输出,通过RK电阻对C1充电,单片机内部计时器清零并开始计时,检测P1.2口状态,当P1.2口检测为高电平时,即C1上的电压达到单片机高电平输入的门嵌电压时,单片机计时器记录下从开始充电到P1.2口转变为高电平的时间T1。
将P1.0、P1.1、P1.2都设为低电平输出,使C1放电至放完。
再将P1.0、P1.2设置为输入状态,P1.1设为高电平输出,通过RT电阻对C1充电,单片机内部计时器清零并开始计时,检测P1.2口状态,当P1.2口检测为高电平时,单片机计时器记录下从开始充电到P1.2口转变为高电平的时间T2。
从电容的电压公式:
可以得到:
T1/RK=T2/RT,即RT=T2×RK/T1
通过单片机计算得到热敏电阻RT的阻值。
并通过查表法可以得到温度值。
从上面所述可以看出,该测温电路的误差来源于这几个方面:
单片机的定时器精度,RK电阻的精度,热敏电阻RT的精度,而与单片机的输出电压值、门嵌电压值、电容精度无关。
因此,适当选取热敏电阻和精密电阻的精度,单片机的工作频率够高,就可以得到较好的测温精度。
当单片机选用4M工作频率,RK、RT均为1%精度的电阻时,温度误差可以做到小于1℃。
该方案的优势是成本极低(不超过1¥),不占用单片机的AD通道,但是精确性不高,而且可靠性较低;
C.温度频率变换检测法
硬件由温度传感器、温度频率变换电路、单片机、显示电路等组成,原理如图所示
温度/频率变换电路由集成块NE555、电阻R0、温度传感器Rt(CWF51A)、振荡电容C0组成无稳态振荡电路,由集成块NE555第3脚输出频率信号,与单片机输入相接;利用单片机的计算机和查表功能对热敏电阻温度非线性特性进行线性化处理;
该方案的优势是成本较低(不超过2¥),精确性较高(可精确到0.1度),不占用单片机的AD通道,
D.单线数字温度传感器测量法
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃~+125℃,可编程为9位~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
见下图
类似的单芯片温度传感器还有LM35(5.5Y,常温下测温精度为+/-0.5℃以内,需接放大器)等;
该方案的优势是电路简单,不占用单片机的AD通道,精确性高,而且可靠性较高;缺点是成本较高;(在7-10¥左右)
7关键器件
8可靠性、安全性、电磁兼容性设计
9电源设计
10工艺结构设计
造型设计方案
结构设计方案
控制电路与强电部分可做在一块PCB上,这样生产方便,而且信号稳定性较高;不建议采用插卡式安装;
安装设计方案
结构热设计方案
控制子板由于没有大功耗芯片,而且考虑到稳定性,所以不适于安装风扇;
结构EMC设计方案
可生产性设计准则
10.1.1单板/背板可装配性准则
10.1.2整机/配线可装配性准则
产品生产方式
举例:
整机装配按流水线方式进行,生产方式类似于现有XXX产品,可利用现有的场地和设备。
由于选配的模块板单独发货,进行单板老化,不进行整机老化。
整机现有类似的产品整机生产流程为:
单板加工→总装机箱装配→入库;总装机箱→调测整机装配→整机调测→包装发货。
工艺继承性
产品制造方案和质量控制点方案
关键工艺的解决方案
11测试设计
举例:
v所有的硬件设计都将按照公司的标准进行测试考虑。
v环境测试方面:
整机结构和XXX基本相同,通风和散热做了全面考虑;
vEMC测试方面:
整机结构设计参照XXX的EMC测试情况,进行了全面考虑;另外在具体的硬件设计中对电路进行具体的屏蔽和保护;
v硬件测试方面:
硬件设计完全按照公司的相关规范标准进行。
将在详细设计中充分考虑测试点和测试方法。
v接口指标方面:
所有的插槽都完全兼容XXX的接口板,所有的接口指标已经按照相关标准通过了指标测试;串口口和以太网接口的指标也和XXX路由器的设计完全相同,已经进行过详细的测试。
12开放性设计
开放的标准硬件接口
举例:
v按照路由器标准设置的Console接口,AUX接口。
v按照XXX系列交换机标准设置的接口,可以与其他XXX系列交换机及别的厂家的交换机互联。
v符合PCI2.1规范的PCIBus接口,兼容所有XXX产品线内的接口模块。
v标准的10/100Mbps以太网口。
可以用标准网线与集线器或以太网交换机互联。
开放的体系结构
举例:
v采用PowerPC处理器平台、vxWorks操作系统、TP-SROS1.0软件。
提供了功能扩展及升级的可能。
v标准的PCIBus接口,可以使用户任意配置所需的功能模块,节省用户投资成本。
可以按照用户需求定制功能模块。
v同步串口控制器是挂在CPU的LocalBus上,结构上为扣板式。
这就为以后的升级提供了条件,我们可以按照市场需求作出异步串口、ISDN接口等其他特性的固定对外接口。
从而在以后可以发展出更多规格的XXX产品。
13评审报告
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