引言
社會生活的現代化對供電的要求越來越高，許多大型建筑尤其是公共建筑設施如機場、高速公路、隧道、商場、辦公大樓、展覽中心等，一旦供電系統產生突發故障，會產生許多意想不到的狀況，給人們正常的生產生活造成惡劣影響，甚至帶來人員傷亡。電力故障突發性強，往往不以人們的意志為轉移。在這種情況下，備用電源就顯得異常重要。《高層民用建筑設計防火規定》，《民用建筑電器設計規范》就嚴格規定：“一級負荷應由兩個電源供電，當一個電源發生故障時，另一個電源應不致同時損壞。一級負荷重要的負荷，除上述兩個電源外，還必須增設應急電源”[1][2]。消防應急電源，專門為消防設備和一級負荷或照明用電設計，它是建筑物內出現緊急情況下，為疏散照明提供集中供電的應急專用電源設備。
1 系統的原理和組成
應急電源也稱EPS，全稱是Emergency Power Supply。消防應急電源是用于消防，允許短時電源中斷的應急電源裝置。作為消防應急電源系統，當建筑物發生火災時，為疏散照明和其它重要的一級供電負荷提供集中供電，消防應急電源系統組成如圖1所示，主要包括整流充電器、蓄電池組、逆變器、互投裝置等部分。其中逆變器是功率核心，主要采用SPWM（正弦脈寬調制）技術。整流器的作用是將交流電變成直流電，實現對蓄電池智能充電以儲存能量。逆變器的作用則是將蓄電池儲存的直流電變換成工頻交流電，供給負載設備穩定持續的電力。互投裝置保證負載在市電及逆變器輸出間的順利切換。系統控制器對整個系統進行實時監控，可以發出聲光報警信號，同時可通過串行口（RS485總線或CAN總線）與計算機或Modem連接，上位機采用組態軟件MCGS實現對供電系統的微機監控和遠程監控。
工作原理如圖2所示。在正常情況時，由交流市電經過互投裝置給重要負載供電，當交流市電斷電后，互投裝置將立即切換至逆變器供電方式，啟動逆變器給負載裝置供電，供電時間由蓄電池的容量決定，當市電電壓恢復時，將由應急電源供電恢復為市電供電[3][4]。
圖1 EPS應急電源的系統組成
擁有Modbus通信模塊的控制器即可用作標準Modbus設備，以主(即上位機)—從(即下位機)方式與上位機通訊。可將若干臺控制器或其它Modbus設備通過ＲＳ485總線組建成Modbus網絡，統一納入上位機監控平臺,實現網絡化遠程監控。
圖2 消防應急電源工作原理
2 主電路硬件設計
系統采用Atmega16作為控制器的CPU。Atmega16單片機是AVR系列單片機中的高檔產品，集成了許多功能，省卻了外擴電路，如：具有16K字節的系統內可編程Flash，512字節的EEPROM可以保存故障記錄和操作記錄，1K字節的內部SRAM，可以通過SPI實現系統內編程，足夠系統使用，不用外擴存儲器。可以產生10位的PWM波，足夠系統要求的精度和頻率。一路SPI接口與PC機通信和蓄電池板通信。內部集成看門狗定時器，無需外接看門狗芯片。其具有8路模擬通道。
根據單相消防應急電源系統要求，以及分析的控制器功能，設計出控制器硬件，包括以下部分。控制器總體硬件結構如圖3所示：
圖3 系統硬件總體結構框圖
2.1 時鐘
由于系統中需要記錄應急啟動時間和應急持續時間，在主菜單中也有系統年月日和時間顯示，所以系統中需要設計時鐘電路。控制器選用DS1302作為時鐘，因為DS1302是DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。
2.2 JTAG
Atmega16具有JTAG 接口（與IEEE 1149.1標準兼容），可以通過JTAG接口實現對Flash, EEPROM, 熔絲位和鎖定位的編程，這給程序調試帶來了及大的方便。
2.3 鍵盤中斷
根據系統的要求設計了三個按鍵即復位鍵、翻屏鍵和確認鍵，所以采用獨立式按鍵結。為了保證實時性鍵盤子程序都通過中斷程序處理對MCU的三個I/O口進行掃描。
2.4 液晶顯示
本系統采用的液晶是M126411SLYH-J3，它能顯示4行8列，藍色的底色。它是不帶字庫的，接受的是點陣，顯示一個漢字需要32個字節的數據。該液晶和MCU相連的有吧根數據線、R/W是讀寫控制線、D/I是數據和指令的方向控制線。自身還有E使能控制
線和復位線。
2.5 信號采集
信號采集電路分為數字信號和模擬信號采集兩部分。數字信號采集就是開關量要檢測，比如市電接觸器、逆變接觸器、中間繼電器、直流接觸器等的返回接點，強啟、自動/手動、充電等開關和各輸出支路的檢測都可以轉換成檢測開關量的方式來判斷它們的狀態變化。開關量檢測單元電路有光電耦合器、多路模擬轉換開關組成，同時在光電耦合器的前端為每個開關返回節點接了一只發光二極管，當節點合上時，相應的二極管發光從而能直觀判斷出來。
模擬信號采集主要包括對市電電壓、電流，蓄電池的電壓、電流和環境溫度的監測。對這些模擬量的檢測通過TLC2543采集，TLC2543是TI公司的串行A/D，它擁有12位的高精度，11路通道，快達10us的轉換時間。有3個控制輸入端片選/CS、輸入輸出時鐘I/O CLOCK和地址輸入（數據輸入）AIN。它可以通過一個串行三態輸出與處理器或外設的串口進行通訊。
2.6 聲光報警
為了方便用戶，控制器配有指示燈和蜂鳴器。四個燈是鍵盤上的四個指示燈（主電、應
急、充電、故障），當出現應急或故障時開通蜂鳴器。用TLP521-4隔離光偶芯片作為驅動并防止干擾MCU。
2.7 通訊接口
以Modbus協議串行通信時一幀收發的過程和原理如下：數據發送的過程(以發送5到8 位數據位的幀為例)是:程序檢測到數據寄存器空標志位UDRE置位時,CPU通過將待發送的數據寫入UDR發送數據寄存器來加載發送緩沖器，緩沖的數據待移位寄存器準備就緒時被移入
圖4 通訊流程圖
其中,再由硬件自動發送，并在TXD引腳上出現。數據接收的過程則與發送相反。數據發送或接收都可用輪詢和中斷兩種方式[5]。遠程串行通信的系統結構見圖4。
3 上位機的實現
上位機一般指PC機或其他功能較強的嵌入式系統，主要用來處理其他設備（下位機）發送來的數據，并對其發號司令，上位機是相對于下位機而言，一般情況下一個上位機對應幾個下位機，把下位機的數據轉發給服務器或者把服務器的控制信息發送給下位機，有時候上位機本身就充當服務器。本系統需要用上位機處理控制器傳來的各種數據，比如對數據的監測存儲等。
3.1 工控軟件MCGS的介紹
MCGS (Monitor and Control Generated System，通用監控系統)是一套用于快速構造和生成計算機監控系統的組態軟件，它能夠在基于Microsoft（各種32位Windows平臺上）運行，通過對現場數據的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案。
3.2 工控軟件MCGS在本設計的實現
工控軟件MCGS在本設計中最主要的作用就的數據檢測，仿真測試方法如下：先用一根RS232串行通信線在本地近距離連接上位ＰＣ機和測試儀，在MCGS的設備組態窗口中選擇通用串口父設備,再給它添加“莫迪康RTU”子設備，并詳細配置其對應數據對象(實時數據庫中)、寄存器地址等參量,配置及仿真測試界面見圖5。由圖5可見，選中“設備調試”選項卡后通道值一欄已填滿實際數據，即組態軟件已采集到所連下位設備發來的數據。因收發數據傳輸的距離近，故該微機監控系統的實時性很好，幾乎無時間延遲和網絡傳輸滯后問題。現場運行表明，該系統穩定可靠，雖因數據串行傳輸而有時會出現網絡傳輸延遲，但還不至于丟失數據，原因是程序中采用標志變量控制機制，即用一個布爾型變量來標志一幀數據是否收發結束，只有按協議規定完整收發一個數據幀后標志位的值才會變化，程序才會繼續向下執行，否則程序處于等待狀態直到網絡傳輸延遲結束。這就比簡單按照網絡傳輸延遲來計算幀間隔時間要可靠得多，從而保證數據不會丟失。
圖5 MCGS通訊測試界面
4 結論
目前，單相應急電源已廣泛的用于消防系統中，是一些智能樓宇必不可卻的設備之一。本課題設計一個以Atmega16為核心CPU的單相消防應急電源系統控制器，作為一個智能控制器，它實現了多種功能，為整個系統可靠性工作提供了保障。控制器能夠很好的對市電和蓄電池進行檢測，可以通過485總線，通過Modbus協議將數據發送到幾百米的安全寬敞的總的控制臺，然后通過上位機組態軟件與AVR單片機實時通信。