专利名称：海底观测网络的不间断电源管理系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于海洋观测系统技术领域，具体地说，是涉及一种用于对海底观测网络的电源系统实现监控与维护的控制管理系统。
背景技术：
海底观测网络系统可提供多要素、多学科的长期实时观测，可应用于包括基础科学研究、资源与能源、勘探开发利用、灾害与环境保护、航海等方面的研究工作，满足对海底、水体和海面各种参数要素的观测需求。海底观测网络系统中电能是海底观测网络的命脉，没有电能整个系统就不能运转。当海底观测网络系统由于故障等原因导致主电网断开时，海底观测网络中的仪器和设备将会停止运行，观测数据将会中断，整个网络将陷入瘫痪状态。为了保证海底观测网络的正常运行，在系统接驳盒中往往设置有后备电池组作为不间断电源，以确保海底观测的长 期性和连续性，进而为深海科研工作提供完整的数据。为了实现海底观测网络的不间断供电，需要设计出完善的主电源与后备电源切换控制电路、充电电路和电源参数检测电路。而目前市场上针对海底观测网络还没有完善的不间断电源管理系统，因而无法满足海底观测网络长期正常运行的应用需求。
发明内容本实用新型针对海底观测网络提供了一种不间断电源管理系统，满足了海底观测网络长期正常运行的应用需求。为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现一种海底观测网络的不间断电源管理系统，包括对主电源输出的直流高压进行降压变换的降压模块、后备电源以及中央处理器；所述降压模块的输出端通过第一开关的开关通路一方面连接一颗二极管的阴极，所述二极管的阳极连接所述的后备电源，另一方面输出供电电源至所述的中央处理器以及海底观测网络中的节点电路控制板；通过所述降压模块和后备电源输出的直流电源分别通过电压检测电路和电流检测电路进行采样后，输出检测信号至所述的中央处理器，所述中央处理器输出控制信号至第一开关的控制端。为了实现对后备电源的充电蓄能，以确保在主电源故障时，后备电源中能够存储有充足的电能满足海底观测网络中各仪器、设备的用电需求，所述降压模块的输出端通过第三开关的开关通路连接所述的后备电源，所述中央处理器输出控制信号至第三开关的控制端，在主电源正常且后备电源欠压时，控制第三开关导通，利用主电源为后备电源充电。进一步的，所述降压模块的输出端通过第三开关的开关通路连接一逆变电路的输入端，所述逆变电路的输出端连接充电电路，通过充电电路输出充电电流至所述的后备电源。优选的，所述后备电源优选采用锂电池组，其输出的直流电压的幅值等于降压模块输出的直流电压的幅值。[0011]为了实现对后备电源工作温度异常状况的检测，优选在所述后备电源上连接一热敏电阻，通过热敏电阻检测后备电源的温度，并输出检测信号至所述的中央处理器。又进一步的，所述电压检测电路、电流检测电路和热敏电阻分别连接模数转换器，通过模数转换器将模拟量的检测信号转换成数字信号输出至所述的中央处理器。为了满足中央处理器与节点电路控制板的不同供电需求，优选将所述降压模块的输出端通过第一开关分别与两个直流-直流转换器的输入端对应连接，其中一个直流-直流转换器的输出端通过第二开关的开关通路连接节点电路控制板的供电端，所述第二开关的控制端接收中央处理器输出的控制信号；另外一个直流-直流转换器的输出端通过第四开关的开关通路连接中央处理器的供电端，所述第四开关的控制端接收节点电路控制板输出的控制信号。 再进一步的，在所述第四开关的开关通路与中央处理器的供电端之间还连接有一稳压电路，稳压生成中央处理器所需的供电电源；优选的，所述第一开关、第二开关和第四开关优选采用常闭开关，以减少开关的动作次数。优选的，所述中央处理器优选通过串口通讯芯片与所述的节点电路控制板进行串口通信，传输控制信号。更进一步的，在所述中央处理器中内置有以太网控制器，连接以太网接口，所述以太网接口连接以太网交换机，并通过所述以太网交换机与海岸基站连接通讯，以满足海岸基站与中央处理器之间的远距离通信要求。与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是本实用新型针对海底观测网络节点系统的长期不间断供电需求而专门设计了一种不间断电源管理系统，此电源管理系统可以实时监测电源系统参数，能够根据系统异常状况快速主动地在主电源与后备电源之间进行切换控制，并可根据海岸基站发出的指令对电源管理系统进行故障应急处理，从而在最大程度上维持了海底观测网络系统的正常运转，降低了系统的维护成本。
图I是本实用新型所提出的海底观测网络的不间断电源管理系统的电路原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细地说明。实施例一，本实施例的不间断电源管理系统针对海底观测网络中的节点电路控制系统专门设计，用于为系统中的节点电路控制板提供不间断的工作电源，以满足海底观测网络的长期正常运行。本实施例的不间断电源管理系统主要由中央处理器、用于对主电源进行降压变换的降压模块、后备电源以及用于对主电源和后备电源的异常状况进行实时监测的电源检测模块组建而成，参见图I所示。在本实施例中，所述中央处理器可以采用具有信号处理能力的集成芯片进行系统设计，本实施例以下以单片机为例进行说明。对于目前的海底观测网络系统来说，通过海岸基站输送至各海底观测平台的主电源通常为6000VDC的直流高压，需要经由高压电源模组进行降压变换后，生成400VDC的直流电压输出至降压模块转换生成低压直流电源(例如48VDC)，进而为节点电路控制系统中的用电负载供电。[0021]为了在主电源与后备电源之间实现自动切换，以满足各用电负载的连续用电需求，本实施例将降压模块的输出端通过第一开关的开关通路分别连接到一颗二极管Dl的阴极和后级用电负载上，二极管Dl的阳极连接后备电源的正极，第一开关的控制端连接单片机的一路GPIO 口，接收单片机输出的控制信号，进而控制其开关通路通断。在本实施例中，考虑到在绝大多数时间都是通过主电源为各网络节点中的负载供电的，为了减少开关的动作次数，优选采用一颗常闭开关(以下称常闭开关I)作为所述的第一开关，连接在降压模块的输出端与后级用电负载之间，由此可以仅在主电源发生故障时才需要控制常闭开关I动作，切换至后备电源继续为节点电路中的各用电负载供电。为了对主电源和后备电源的工作异常情况进行实时监测，本实施例在电源管理系统中设置电压检测电路和电流检测电路来分别对降压模块和后备电源输出的电压和电流进行采样检测，进而生成反映电压大小和电流大小的检测信号输出至单片机，以判断出目前主电源和后备电源的工作状况，进而为两路电源的准确切换提供依据。对于需要接收数 字信号的单片机来说，可以将通过电压检测电路和电流检测电路采样输出的模拟量的检测信号首先输出至模数转换器进行模拟量到数字量的转换处理后，再传输至单片机进行判断识别。在本实施例中，优选采用SPI总线连接在所述模数转换器与单片机之间，以实现检测数据的传输。为了对后备电源的工作状况实现准确判断，后备电源的工作温度也是一项需要考虑的因素。为此，本实施例在后备电源的附近设置一颗热敏电阻，并连接在后备电源的正极与模数转换器之间，利用热敏电阻的阻值随后备电源的温度变化而改变的特性，通过采集流过热敏电阻的电流大小(并通过模数转换器转换成数字信号后，传输至单片机中)即可换算出后备电源的温度大小，进而实现单片机对后备电源工作状况的综合判断。在本实施例中，优选采用锂电池组作为所述的后备电源，辅助主电源实现对网络节点控制系统的不间断供电，如图I所示，且所述锂电池组输出的直流电压的幅值应等于主电源通过所述降压模块转换输出的电压幅值。本实施例以降压模块和锂电池组均在正常情况下输出48V直流电压为例进行说明。当主电源供电正常时，通过降压模块输出的48V直流电压经由常闭开关I传输至后级用电负载，并施加到二极管Dl的阴极。所述二极管Dl可以采用一颗肖特基二极管进行系统电路的设计。由于通过锂电池组输出的直流电压也为48V，而肖特基二极管Dl的导通需要有O. 7V的正向压降，因而在主电源工作正常的情况下，二极管Dl是处于截止状态的，网络节点中的各用电负载使用主电源输出的供电电源。而当单片机通过电压检测电路和电流检测电路检测到通过降压模块输出的直流电压出现过压、过流或者欠压、欠流等异常状况时，通过其GPIO 口输出控制信号至常闭开关1，控制常闭开关I断开。此时，二极管Dl由于其阳极电压高于其阴极电压而转入导通状态，进而将锂电池组输出的直流电压传输至网络节点中的各用电负载，为负载继续供电。考虑到单片机以及网络节点系统中的节点电路控制板所需的工作电压往往不是48V的情况，对于通过降压模块和锂电池组输出的48V供电电源还需要进一步经由两个直流-直流转换器DC/DC1、DC/DC2分别进行转换处理后，以生成不同幅值的直流电压来满足单片机与节点电路控制板的不同用电需求。以节点电路控制板需要5V直流供电、单片机需要3. 3V直流供电的情况为例进行说明。利用DC/DC1接收降压模块通过常闭开关I输出的主供电电源或者接收锂电池组通过二极管Dl输出的辅助供电电源，进而转换成5V直流电压通过第二开关的开关通路传输至节点电路控制板的供电端，进而经由节点电路控制板上的电源模块进一步转换生成各仪器和设备所需的工作电压，为不同的仪器、设备供电。所述的第二开关同样优选采用一颗常闭开关(以下称为常闭开关2)进行系统电路的设计，将其控制端连接至单片机的另外一路GPIO 口，根据单片机输出的控制信号控制其开关通路导通或者关断。对于DC/DC2来说，将其输入端分别与常闭开关I和二极管Dl的阴极相连接，接收主电源通过降压模块转换输出的主供电电源或者接收锂电池组通过二极管Dl输出的辅助供电电源，进而转换成12V直流电压通过第四开关的开关通路传输至一稳压电路，进而通过稳压电路转换成3. 3V的直流电压输出至单片机的供电端VCC，为单片机提供其所需的工作电压。同样的，对于所述的第四开关也优选采用一颗常闭开关(以下称为常闭开关4)进行系统电路的设计，将常闭开关4的控制端连接至节点电路控制板，利用节点电路控制板对其进行通断控制。当单片机通过电压检测电路和电流检测电路检测到主电源通过降压模块输出的电压、电流参数正常时，则控制常闭开关I闭合，使主电源恢复对网络节点系统的供电。与·经由第三开关(以常闭开关3为例进行说明)的开关通路传输至一逆变电路，通过所述逆变电路逆变成220V的交流电压后，输出至充电电路以整流变换成锂电池组所需的充电电压和充电电流，进而为锂电池组进行充电蓄能。所述常闭开关3的控制端可以连接至单片机的单独一路GPIO 口上，利用单片机对其进行通断控制。当单片机通过电压检测电路和电流检测电路检测到主电源供电正常，且锂电池组欠压时，控制常闭开关3导通，进而利用主电源为锂电池组充电蓄能。当单片机通过电压检测电路检测到锂电池组已充满电，或者单片机通过电流检测电路检测到锂电池组出现过流、欠流等异常，亦或者单片机通过热敏电阻检测到锂电池组出现温度过高或者过低等异常时，则输出控制信号至常闭开关3的控制端，控制常闭开关3断开，使主电源通过降压模块输出的48V直流电源停止对锂电池组充电，以实现对锂电池组的保护。此外，将单片机通过串口通讯芯片MAX232与节点电路控制板连接通信，一方面将采集到的主电源和锂电池组的电压、电流、温度数据发送至节点电路控制板，进而通过以太网交换机上传至海岸基站，以实现海岸工作人员对各网络节点系统中电源管理系统运行状况的远距离监控；另一方面，当节点电路控制板判断基于单片机的不间断电源管理系统出现严重故障时，可以通过其IO电路输出控制信号至常闭开关4，使常闭开关4断开，进而控制单片机停止运行。在所述单片机中还可以进一步集成以太网控制器，外接以太网接口 RJ45，进而通过以太网接口 RJ45连接所述的以太网交换机，实现海岸基站与单片机之间的数据通讯。采用这种设计方式，当节点电路控制板出现严重故障时，海岸基站可以通过以太网交换机对单片机发出控制指令，进而通过单片机输出控制信号至常闭开关2，以控制常闭开关2断开，使节点电路控制板停止运行，避免故障的进一步扩大。本实用新型的不间断电源管理系统针对海底观测网络节点平台专门设计，能够很好地完成海底观测网络节点电源正常长期供给任务，最大程度上保证了海底观测网络节点电源系统的正常运行，大大降低了海底观测网络节点电源的故障概率。当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做 出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种海底观测网络的不间断电源管理系统，包括对主电源输出的直流高压进行降压变换的降压模块和后备电源，其特征在于还包括一中央处理器，所述降压模块的输出端通过第一开关的开关通路一方面连接一颗二极管的阴极，所述二极管的阳极连接所述的后备电源，另一方面输出供电电源至所述的中央处理器以及海底观测网络中的节点电路控制板；通过所述降压模块和后备电源输出的直流电源分别通过电压检测电路和电流检测电路进行采样后，输出检测信号至所述的中央处理器，所述中央处理器输出控制信号至第一开关的控制端。
2.根据权利要求I所述的海底观测网络的不间断电源管理系统，其特征在于所述降压模块的输出端通过第三开关的开关通路连接所述的后备电源，所述中央处理器输出控制信号至第三开关的控制端。
3.根据权利要求2所述的海底观测网络的不间断电源管理系统，其特征在于所述降压模块的输出端通过第三开关的开关通路连接一逆变电路的输入端，所述逆变电路的输出端连接充电电路，通过充电电路输出充电电流至所述的后备电源。
4.根据权利要求3所述的海底观测网络的不间断电源管理系统，其特征在于所述后备电源为锂电池组，其输出的直流电压的幅值等于降压模块输出的直流电压的幅值。
5.根据权利要求I所述的海底观测网络的不间断电源管理系统，其特征在于所述后备电源连接热敏电阻，通过热敏电阻检测后备电源的温度，并输出检测信号至所述的中央处理器。
6.根据权利要求5所述的海底观测网络的不间断电源管理系统，其特征在于所述电压检测电路、电流检测电路和热敏电阻分别连接模数转换器，通过模数转换器将模拟量的检测信号转换成数字信号输出至所述的中央处理器。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的海底观测网络的不间断电源管理系统，其特征在于将所述降压模块的输出端通过第一开关分别与两个直流-直流转换器的输入端对应连接，其中一个直流-直流转换器的输出端通过第二开关的开关通路连接节点电路控制板的供电端，所述第二开关的控制端接收中央处理器输出的控制信号；另外一个直流-直流转换器的输出端通过第四开关的开关通路连接中央处理器的供电端，所述第四开关的控制端接收节点电路控制板输出的控制信号。
8.根据权利要求7所述的海底观测网络的不间断电源管理系统，其特征在于在所述第四开关的开关通路与中央处理器的供电端之间还连接有一稳压电路；所述第一开关、第二开关和第四开关均为常闭开关。
9.根据权利要求7所述的海底观测网络的不间断电源管理系统，其特征在于所述中央处理器通过串口通讯芯片与所述的节点电路控制板进行串口通信。
10.根据权利要求7所述的海底观测网络的不间断电源管理系统，其特征在于在所述中央处理器中内置有以太网控制器，连接以太网接口，所述以太网接口连接以太网交换机，并通过所述以太网交换机与海岸基站连接通讯。
专利摘要本实用新型公开了一种海底观测网络的不间断电源管理系统，包括对主电源输出的直流高压进行降压变换的降压模块、后备电源以及中央处理器；所述降压模块的输出端通过第一开关的开关通路一方面连接一颗二极管的阴极，所述二极管的阳极连接所述的后备电源，另一方面输出供电电源至所述的中央处理器以及海底观测网络中的节点电路控制板；通过所述降压模块和后备电源输出的直流电源分别通过电压检测电路和电流检测电路进行采样后，输出检测信号至所述的中央处理器，所述中央处理器输出控制信号至第一开关的控制端。此电源管理系统可以根据系统异常状况主动地在主电源与后备电源之间进行切换控制，确保了海底观测网络系统的正常运转，降低了维护成本。
文档编号H02J9/06GK202679060SQ20122028620
公开日2013年1月16日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者杜立彬, 吕斌, 李正宝, 吴承璇, 祁国梁, 曲君乐, 王章军, 贺海靖, 张 浩, 杨倩, 王秀芬, 刘杰, 雷卓 申请人:山东省科学院海洋仪器仪表研究所