一种工控机智能电源及其管理装置与控制方法与流程

本发明涉及一种电源及所述电源的管理装置与管理方法，尤其涉及一种工控机智能电源及所述工控机智能电源的管理装置与管理方法。

背景技术：

现有工控机电源主要功能多为电源转换，如ac/ac、ac/dc、dc/ac、dc/dc等，将输入电压转换为工控机所需电压，为工控机提供电力支持。现有工控机电源的表现形式主要有两种，一是由分立元件所构成的电源转换模块，二是由专用电源模块辅以外围emc电路所构成的电源转换模块。分立元件构成的电源模块由r、l、c、变压器等元器件构成，模块化电源主要由全砖或者半砖或者四分之一砖模块电源加前级滤波保护及后级滤波保护电路构成。以上两种电源主要为工控机提供电力支持，保证工控机正常供电运行。

现有工控机电源主要缺点如下，由分立元件所构成的工控机智能电源，组成元器件太多，元器件损坏概率大，造成电源故障率高。分立元件构成电源与模块化电源在充电电源方面尚考虑欠佳，因随着工控机的应用越来越广泛，其需求范围也在逐渐扩大。如在轨道交通领域即有一种工控机要求外部电源断电之时，可自动切换至锂电池供电，给工控机一定时间完成存储及关机动作，且在存储关机过程中若外部供电恢复正常，待关机完成后无需人工操作，可正常开机运行系统。若完成此种功能，单纯的靠电源已经无法解决，以上即为现有技术的客观缺点。

技术实现要素：

现有工控机电源采用分立元件构成或者模块电源构成，一是故障率高，二是无法满足复杂功能的需求。本发明一种工控机智能电源及所述工控机智能电源的管理装置与管理方法，所述工控机智能电源可以有效的解决以上问题。

本发明的解决方案是：一种工控机智能电源，其用于对轨道交通多媒体工控机的主机供电，并在外部电源断电时满足主机的供电需求，在硬件构架上，所述工控机智能电源包括dc110v输入电路、前级滤波保护电路、降压模块、后级滤波保护电路一、dc24v输出电路、后级滤波保护电路二、充电管理电路、dc降压模块一、dc降压模块二、电池模块、mcu控制模块；

其中，dc110v输入电路：输入直流110v电源，输入电压范围为dc77v-dc143v；前级滤波保护电路：具有浪涌保护及滤除高频噪声；降压模块：将输入电压dc110v降至dc24v输出；后级滤波保护电路一：起去耦滤波作用；dc24v输出电路：输出dc24v电压；后级滤波保护电路二：对电源载板输出dc24v电压进行浪涌保护、限流保护及滤波处理；充电管理电路：对锂电池进行充放电管理；dc降压模块一：将电源载板输出dc24v电压降压为一路dc12v输出；dc降压模块二：将电源载板输出dc24v电压降压为另一路dc12v输出；电池模块：起充电电源作用，在外部电源断电情况下及时为主机及mcu控制模块供电；mcu控制模块：监测、管理电源模块的供电情况，并与主机进行通讯，实时报告电源供电状态并做出相应动作；

dc110v输入电路与前级滤波保护电路相连，前级滤波保护电路与降压模块相连，降压模块与后级滤波保护电路一相连，后级滤波保护电路一与dc24v输出电路相连，dc24v输出电路与后级滤波保护电路二相连，后级滤波保护电路二与充电管理电路、dc降压模块一、dc降压模块二均相连，充电管理电路与后级滤波保护电路二、电池模块、mcu控制模块均相连，mcu控制模块还与电池模块、充电管理电路、dc降压模块一均相连。

作为上述方案的进一步改进，dc110v输入电路、前级滤波保护电路、降压模块、后级滤波保护电路一、dc24v输出电路分布于电源载板；后级滤波保护电路二、充电管理电路、dc降压模块一、dc降压模块二、电池模块、mcu控制模块分布于电源背板。

作为上述方案的进一步改进，mcu控制模块(11)对dc24v输出电路(5)的dc24v电压、dc24v输出电路(5)的dc12v电压、电池模块(10)的电池电压进行ad采样，根据采集到的各电压状态，分别做出外部有效供电的判断、电池电压判断、电池充电判断，并通过i/o口实现功能控制；mcu控制模块(11)还周期性的尝试与主机(12)建立通讯，在通讯连接建立后，与通讯对象之间使用周期性的心跳消息判断彼此的在线状态，并做出适当动作，保证主机(12)的稳定运行或关闭。

本发明还提供一种应用于上述任意工控机智能电源的工控机智能电源管理装置，其包括定时事件处理单元、电压采集单元、电池充电单元、状态逻辑控制单元、通讯处理单元；其中：

所述定时事件处理单元以所述mcu模块的一个片上物理定时器为基础，进行软件封装，为整个装置提供定ms级的软件定时器服务，所述软件定时器支持阻塞及非阻塞定时、支持回调函数；

所述电压采集单元会周期性的去采集dc24v输出电压、dc降压模块一、电池模块的输出电压，并把采集到的量化值转换成电压值；

所述电池充电单元提供电池充放电幅度管理、电池状态管理，电量百分比查询；

所述状态逻辑控制单元根据所述电压采集单元采集到的数据，做出判断，并通过i/o口实现功能控制；其中，所述状态逻辑控制单元设置1个强制关机定时器，所述强制关机定时器用于设置电池单独供电时间；所述强制关机定时器根据外部12v电压当前情况，在外部供电状态power_ext、电池供电状态power_bat、不供电状态power_off，这三种状态下选择一种状态跳转：当检测到外部12v电压正常时，所述强制关机定时器循环判断与轨道交通多媒体工控机的视频监控软件通信是否正常，以心跳消息维持为标准，若心跳超时，则说明作为下位机的工控机智能电源管理装置与作为上位机的轨道交通多媒体工控机通信异常，所述状态逻辑控制单元的底层软件设置主机重启定时器，且在定时器定时范围内，若心跳恢复，则取消重启定时器，系统正常运行，若心跳未恢复，则等待主机重启；当检测到外部12v掉电时，底层软件首先判断主机是否发出关机命令：一、若主机发出关机指令，表示上位机软件收到底层发送的外部掉电信息，则进入电池供电状态power_bat，等待主机关机定时器hostshutdown_timer溢出回调，然后进入不供电状态power_off，此后若外部12v正常，则主机能重新启动；二、若主机没有发出关机指令，表示非正常情况，则设置电池单独供电时间，开启底层软件关机定时器softshutdown_timer，并进入电池供电状态power_bat，等待软件关机定时器softshutdown_timer溢出回调，最后进入不供电状态power_off；

所述通讯处理单元提供消息的解析、处理及发送。

作为上述方案的进一步改进，在一个采集周期内，所述电压采集单元将对每个采集点进行连续性的多次采集，并在电压转换之前，采用滤波算法进行预处理。

作为上述方案的进一步改进，所述通讯处理单元件采用uart作为通讯介质。

进一步地，整个装置在系统上电后，底层软件以固定周期发送连接请求，并等主机应答，若收到应答，则表示握手成功，通讯建立；随后，上、下位机定时相互发送心跳消息，并以此维持连接；若心跳超时，断开通讯。

再进一步地，底层软件实时采集外部12v电压值，若检测到外部掉电，则主动上报外部电压错误信息至上位机；上位机收到断电信息后，立即发出关机命令，并给出电池持续供电时间用于主机关机；底层软件收到关机命令后，断开通信连接，启动关机定时器，并等待定时溢出回调，然后，底层软件关闭电池供电开关，最后主机进入不供电状态power_off。

优选地，若检测到外部12v电压恢复，则主机重启。

本发明还提供一种应用于上述任意工控机智能电源的工控机智能电源管理方法，其包括以下步骤：

以所述mcu模块的一个片上物理定时器为基础，进行软件封装，为整个装置提供定毫秒级的软件定时器服务，所述软件定时器支持阻塞及非阻塞定时、支持回调函数；

周期性的去采集dc24v输出电压、dc降压模块一、电池模块的输出电压，并把采集到的量化值转换成电压值；

提供电池充放电幅度管理、电池状态管理，电量百分比查询；

根据所述电压采集单元采集到的数据，做出判断，并通过i/o口实现功能控制；其中，所述状态逻辑控制单元设置1个强制关机定时器，所述强制关机定时器用于设置电池单独供电时间；所述强制关机定时器根据外部12v电压当前情况，在外部供电状态power_ext、电池供电状态power_bat、不供电状态power_off，这三种状态下选择一种状态跳转：当检测到外部12v电压正常时，所述强制关机定时器循环判断与轨道交通多媒体工控机的视频监控软件通信是否正常，以心跳消息维持为标准，若心跳超时，则说明作为下位机的工控机智能电源管理装置与作为上位机的轨道交通多媒体工控机通信异常，所述状态逻辑控制单元的底层软件设置主机重启定时器，且在定时器定时范围内，若心跳恢复，则取消重启定时器，系统正常运行，若心跳未恢复，则等待主机重启；当检测到外部12v掉电时，底层软件首先判断主机是否发出关机命令：一、若主机发出关机指令，表示上位机软件收到底层发送的外部掉电信息，则进入电池供电状态power_bat，等待主机关机定时器hostshutdown_timer溢出回调，然后进入不供电状态power_off，此后若外部12v正常，则主机能重新启动；二、若主机没有发出关机指令，表示非正常情况，则设置电池单独供电时间，开启底层软件关机定时器softshutdown_timer，并进入电池供电状态power_bat，等待软件关机定时器softshutdown_timer溢出回调，最后进入不供电状态power_off；

提供消息的解析、处理及发送。

本发明的工控机智能电源采用半砖模块设计有效的滤波保护电路，由电源载板和背板构成，由专用mcu完成复杂控制步骤，可有效降低电源故障率，在散热方面也做了特殊处理，且维护方面，最重要的是解决了外部电源断电时锂电池不能及时供电及外部恢复供电主机不能自动重启的问题，满足了轨道交通领域的复杂需求，且成本低廉。

附图说明

图1为本发明的工控机智能电源硬件结构框图；

图2为本发明的工控机智能电源固件主逻辑框图；

图3为本发明的工控机智能电源固件状态逻辑控制框图；

图4为本发明的工控机智能电源固件通讯处理单元流程框图；

附图中标记为：1为dc110v输入电路，2为前级滤波保护电路，3为降压模块，4为后级滤波保护电路一，5为dc24v输出电路，6为后级滤波保护电路如图，7为充电管理电路，8为dc降压模块一，9为dc降压模块二，10为电池模块，11为mcu控制模块，12为主机(即负载模块)。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1至图4所示的本发明的结构图及固件工作流程图，为一种工控机智能电源及其电源管理方法，用于轨道交通车载多媒体控制主机供电，其支持外部供电与电池供电两种方式，在提供了可靠稳定电源的同时又满足了多媒体工控主机在复杂环境下的供电需求，如当外部供电断电时可自动切换至电池供电三分钟，以避免突然断电多媒体工控主机来不及完成存储、关闭应用程序及正常关机等步骤，另一方面在外部突然断电，自动切换至电池供电完成存储及正常关机过程中，外部供电恢复，此时无需人工干预操作，在完成此次关机进程后，多媒体工控主机可自动开机，满足了轨道交通领域复杂环境下的需求。

如图1所示，本发明所提供的一种工控机智能电源包括dc110v输入电路1，前级滤波保护电路2，降压模块3，后级滤波保护电路一4，dc24v输出电路5，后级滤波保护电路二6，充电管理电路7，dc降压模块一8，dc降压模块二9，电池模块10，mcu控制模块11。

dc110v输入电路1：输入直流110v电源，输入电压范围为dc77v-dc143v。

前级滤波保护电路2：具有浪涌保护及滤除高频噪声。

降压模块3：将输入电压dc110v降至dc24v输出。

后级滤波保护电路一4：起去耦滤波作用。

dc24v输出电路5：输出dc24v电压。

后级滤波保护电路二6：对电源载板输出dc24v电压进行浪涌保护、限流保护及滤波处理。

充电管理电路7：对锂电池进行充放电管理。

dc降压模块一8：将电源载板输出dc24v电压降压为一路dc12v输出。

dc降压模块二9：将电源载板输出dc24v电压降压为另一路dc12v输出。

电池模块10：起充电电源作用，在外部电源断电情况下及时为主机12及mcu控制模块11供电。

mcu控制模块11：监测、管理电源模块10的供电情况，并与主机12进行通讯，实时报告电源供电状态并做出相应动作。

dc110v输入电路1与前级滤波保护电路2相连，前级滤波保护电路2与降压模块3相连，降压模块3与后级滤波保护电路一4相连，后级滤波保护电路一4与dc24v输出电路5相连，dc24v输出电路5与滤波保护电路6相连，后级滤波保护电路二6与充电管理电路7、dc降压模块一8、dc降压模块二9相连，充电管理电路7与后级滤波保护电路二6、电池模块10、mcu控制模块11相连，所述的mcu控制模块11与电池模块10、充电管理电路7、dc降压模块一8相连。dc110v输入电路1、前级滤波保护电路2、降压模块3、后级滤波保护电路一4、dc24v输出电路5分布于电源载板；滤波保护电路二6、充电管理电路7、dc降压模块一8、dc降压模块二9、电池模块10、mcu控制模块11分布于电源背板。

dc110v输入电路1与前级滤波保护电路2由wago连接器、压敏电阻、空气放电管、二极管、共模电感、电容等组成与降压模块3的vin连接，其主要功能是完成dc77v-dc143v宽电压的输入及浪涌保护、滤除高频噪声等。

降压模块3选用行业专用的dc/dc半砖电源降压模块，支持直流电压宽压输入，通过vin与前级滤波保护电路2、vout口与后级滤波保护电路一4相连，其主要功能是将dc77v-dc143v电压降压为dc24v电压。

后级滤波保护电路一4与dc24v输出电路5主要由共模电感、压敏电阻、电解电容、电感、电容等组成，与降压模块3的vout口相连，其主要功能是输出dc24v电压，并对输出电压进行浪涌保护、限流保护及滤波处理。

滤波保护电路二6主要由自恢复保险丝、二极管、电解电容及ad采样电路构成，与载板部分所述的后级滤波保护电路一4及背板部分所述的充电管理电路7、dc降压模块一8、dc降压模块二9相连，其主要功能是对电源载板输出dc24v电压进行浪涌保护、限流保护及滤波处理。

充电管理电路7选用cn3703，cn3703的vcc与dc降压模块一8相连，cn3703的bat、csp与电池模块10相连，cn3703的chrg#、done#、temp与mcu控制模块11相连，cn3703是pwm降压模式三节锂电池充电管理集成电路，独立对三节锂电池充电进行自动管理，具有封装外形小，外围元器件少和使用简单等优点。cn3703具有恒流和恒压充电模式，非常适合锂电池的充电。在恒压充电模式，cn3703将电池电压调制在12.6v，精度为±1％；在恒流充电模式，充电电流可通过一个外部电阻设置。

dc降压模块一8、dc降压模块二9主要由lm25117及其外围电路构成，其主要功能是完成dc24v电压至dc12v电压的转换。

电池模块10选用格氏锂电池，规格型号为3300mah-25c，其主要功能是在外部电源断电情况下及时为负载及mcu控制模块11供电。

mcu控制模块11选用efm8bb21f16g-b，其主要功能是监测、管理电源模块的供电情况，并与供电对象进行通讯，实时报告电源供电状态，做出相应动作。具体是对dc24v电压、输出dc12v电压、电池电压进行ad采样，根据采集到的电压状态，做出判断如外部有效供电的判断、电池电压判断、电池充电判断，并通过i/o口实现特定的功能控制，如供电切换等；mcu将周期性的尝试与主机建立通讯，在通讯连接建立后，mcu与通讯对象之间使用周期性的心跳消息判断彼此的在线状态，并做出适当动作，保证系统的稳定运行或关闭。

本发明的工控机智能电源的工控机智能电源管理装置，其主逻辑流程框图如图2所示，主要功能单元有定时事件处理单元、电压采集单元、电池充电单元、状态逻辑控制单元、通讯处理单元；图3所示为状态逻辑控制单元流程图，具体工作过程下文阐述；图4所示为通讯处理单元流程图，具体工作过程下文阐述。

如图2同时也是本发明一种工控机智能电源管理方法的主逻辑流程框图，主要功能单元有定时事件处理单元、电压采集单元、电池充电单元、状态逻辑控制单元、通讯处理单元。

定时事件处理单元以mcu模块11一个片上物理定时器为基础，进行软件封装，为整个系统提供定ms级的软件定时器服务。软件定时器支持阻塞及非阻塞定时、支持回调函数。

电压采集单元会周期性的去采集dc24v输出电压、dc降压模块一8输出的dc12v电压、所述的电池模块10输出电压，并把采集到的量化值转换成电压值。为确保采集的准确性、稳定性，在一个采集周期内，电压采集单元将对每个点进行连续性的多次采集，在转换之前，采用适当的滤波算法进行预处理。当前固件版本采用2种滤波算法：限幅滤波法和算术平均滤波法，这两种算法的相关参数以宏的形式给出，可以根据实际情况进行调节。

电池充电单元提供电池充放电幅度管理、电池状态管理，电量百分比查询。为克服外部突然掉电，锂电池电压切换不及时的问题，硬件上采用外部供电和锂电池同时供电的策略。同时，为了在系统正常运行时优先使用外部12v电压，需要对锂电池充放电幅度进行限制。底层软件中设置充、放电幅度分别是充电11.9v、放电11.7v。具体逻辑是当外部12v掉电时，禁止电池充电；当外部12v电压正常时，若电池电压高于11.9v，则禁止充电；若电池电压低于11.7v，则使能充电。因此，电池电压只有低于11.7v时系统才为其充电，这样可避免锂电池的重复充电。

状态逻辑控制单元根据采集到的电压状态，做出判断，并通过i/o口实现特定的功能控制，如供电切换等。在此过程中会存在一些逻辑bug，如在power_off状态下(pwrok禁止、pwesw禁止)，若mcu发生跑飞、异常等引起的复位状况，可能会导致主机在没有外电源的情况下出现重启；若上、下位机串口连接失败，则底层软件无法进入power_off状态,此时多媒体工控主机会一直带电(外部或电池供电)。若操作系统崩溃，主机将无法正常关机，直到电池完全放电。

为解决上述问题，在状态逻辑控制单元额外增加1个强制关机定时器，用于设置电池单独供电时间。具体流程图如图3所示，底层软件根据外部12v电压情况，在外部供电power_ext、电池供电power_bat、不供电power_off三种状态下跳转。当检测到外部12v电压正常时，底层软件循环判断与视频监控软件通信是否正常(以心跳消息维持)。若心跳超时，则说明上下位机通信异常，底层软件设置主机重启定时器。在定时器定时范围内，若心跳恢复，则取消重启定时器，系统正常运行；若心跳未恢复，则等待主机重启。主机死机有多种原因，这里以心跳消息是否超时来模拟主机死机的一种情况，当检测到外部12v掉电时，底层软件首先判断主机是否发出关机命令：(1)若主机发出关机指令(表示上位机软件收到底层发送的外部掉电信息)，则进入power_bat状态，等待主机关机定时器hostshutdown_timer溢出回调，然后进入power_off状态，此后若外部12v正常，则主机可重新启动。(2)若主机没有发出关机指令(非正常情况)，则设置电池单独供电时间，开启底层软件关机定时器softshutdown_timer，并进入power_bat状态，等待软件关机定时器softshutdown_timer溢出回调，最后进入power_off状态。综上，外部12v掉电时，底层软件最终会处于power_off状态。这样既解决了主机无法正常关机，同时修复mcu因跑飞引起的主机重启问题。通讯处理单元，提供消息的解析、处理及发送。

mp通讯层与地层物理层是低耦合的，可以很容易通过设置改变地层的物理通讯介质。目前硬件采用uart作为通讯介质，图4为通讯处理单元工作流程图，系统上电后，底层软件以固定周期(5s)发送连接请求，并等主机应答，若收到应答，则表示握手成功，通讯建立。随后，上、下位机定时(4s)相互发送心跳消息，并以此维持连接；若心跳超时，断开通讯。底层软件实时采集外部12v电压值，若检测到外部掉电，则主动上报外部电压错误信息至上位机(以mesg_ack_timeout为周期，连续发送max_mesg_try_count次)。上位机收到断电信息后，立即发出关机命令，并给出电池持续供电时间(用于主机关机)；底层软件收到关机命令后，断开通信连接，启动关机定时器，并等待定时溢出回调，然后，底层软件关闭电池供电开关，最后进入power_off状态。此后，若检测到外部12v电压恢复，则主机重启。以上为本发明一种工控机智能电源及其电源管理方法。

综上所述，首先本发明一种工控机智能电源由电源载板、背板及锂电池组成，采用模块化可插拔设计，维护拆卸方面，具有良好的散热效果；其次将mcu用于外部电源与电池供电切换控制中，有效的解决了外部电源断电时主机不能及时完成存储及关闭应用程序、正常关机等问题；第三，本发明工控机智能电源另一独特优势即若发生外部异常断电时可及时切换至电池供电使主机可在三分钟内完成存储、关闭应用程序及正常关机等操作步骤，若三分钟之内外部供电恢复正常，在主机完成此次关机进程后，无需人工操作可自动正常开机，满足了复杂的轨道交通领域的应用；最后本发明一种工控机智能电源成本低廉，使用方面，已经量产，具有很好的市场前景。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。