1、目 錄1引言52開發項目說明83歷史及修改原因84功能與性能指標85 系統結構框圖85單板命名96關鍵技術96.1電源輸出端口控制96.2電壓的監控126.3溫度的測量136.4167關鍵器件168可靠性、安全性、電磁兼容性設計169電源設計1610工藝結構設計1610.1造型設計方案1610.2結構設計方案1610.3安裝設計方案1610.4結構熱設計方案1710.5結構EMC設計方案1710.6可生產性設計準則17單板/背板可裝配性準則17整機/配線可裝配性準則1710.7產品生產方式1710.8工藝繼承性1710.9產品制造方案和質量控制點方案1710.10關鍵工藝的解決方案1711測試

2、設計1712開放性設計1812.1開放的標準硬件接口1812.2開放的體系結構1813評審報告18智能電源控制模塊硬件概要設計方案關鍵詞： 摘 要： 縮略語清單： 參考資料清單： 名稱作者編號發布日期查閱地點或渠道出版單位1 引言這個智能的電源控制模塊首先從成本上考慮，采用單片機實現成本較低，但flash和ram有限，工作速率較低，一般為8位，16位；最大的flash有256kB，ram有32kB，需要綜合考慮軟件架構的需求；采用通用的嵌入式cpu，如arm內核，freescale的coldfire內核系列，mips內核系列相關的芯片等，都可以實現，但是大部分都成本較高，而且需要外接內存芯片，

3、如flash，sdram等；選擇主芯片還有以下要求：A 考慮到要能夠支持遠程控制和管理，該所以單片機需要較好的支持TCP/IP,SNMP等網絡協議；標準51單片機指令系統復雜，指令過多，有111條指令，執行一條指令需要1248個時鐘周期，內部RAM太少，只有256B ；51采用CISC指令系統，尋址方式多樣，可以較容易的設計出復雜功能的程序，但多數指令執行時間不均等，單位時間的執行效率低；由于SNMP的編解碼需要占用很多CPU時間,并且在單片機上還要實現A/D數據采集轉換、以太網通信、串口通信等功能,這就使得協調各個功能非常困難,因此, RISC單片機比較適合我們的需求； B 由于需要支持本地

4、和遠程的控制，單片機要求集成了10/100M以太網口，沒有的話，也必須容易擴展出以太網口；如果要實現冗余用網口，也就是雙網口，那么單片機至少需要自帶一個網口；C 抗干擾能力要強，可靠性，穩定性 以及使用壽命要求較高，而且工作溫度范圍要寬；通過上述要求的篩選，符合要求的單片機并不多，大多數單片機都不帶10/100M以太網口，外部擴展也有難度，在TCP/IP，WEB 功能上的支持力度都不是很好滿足上述要求的單片機主要就是Freescale的幾款芯片：（1）Freescale有一款16bit的單片機，帶10/100M以太網口,能很好的支持TCP/IP協議，不過成本較高，而且輸入電壓要求在3.1-3.

5、5V，管腳較多，分別采用LQFP112和TQFP80封裝；這款芯片由于工藝較老，故成本較高，大約在70￥左右（1k量）（2）飛思卡爾半導體又在其廣泛的32位ColdFire®系列產品基礎上新增了10款高度集成的微控制器（MCU）；其中MCF5223X系列的主要功能免費以太網堆棧支持ARP、 IP、 ICMP、UDP、TCP、DHCP、BOOTP 和TFTP，符合RFC標準，V2 ColdFire內核在50 MHz能達到46 Dhrystone (2.1 MIPS)，32 KB SRAM； 256 KB閃存，帶集成Ethernet PHY的10/100 Ethernet MAC，提供同

6、步取樣的8信道10位數模轉換器，串行接口：3x UART， 1x 排隊SPI和 2x I2C，帶32kHz振蕩器的實時時鐘(RTC)，多達56個通用I/O；經尋價最便宜的 MCF52232，cpu速率50Mhz，總線速率25Mhz，處理能力在40mip以上，128KB閃存，16KBSRAM，建議零售價50￥左右（1k量）；MCF52236，cpu速率50Mhz，總線速率25Mhz，處理能力在40mip以上，256KB閃存，32KBSRAM，建議零售價55￥左右（1k量）FeaturesMCF52230MCF52231MCF52232MCF52233MCF52234MCF52235MCF5223

7、6CoreV2 ColdFire Core V2 ColdFire Core V2 ColdFire CoreV2 ColdFire Core V2 ColdFire Core V2 ColdFire Core V2 ColdFire Core Flash128 Kb128 Kb128 Kb256 Kb256 Kb256 Kb256 KbSpeed60 Mhz 60 Mhz50 Mhz60 Mhz60 Mhz60 Mhz50 MhzCAN-1-11-CryptonononononoyesnoPackage80, 112-pin LQFP80, 112-pin LQFP80-pin LQFP80

8、,112-pin LQFP112-pin LQFP 121 MAPBGA112-pin LQFP121 MAPBGA80-pin LQFP通用的嵌入式CPU有很多種，曾經使用過的主要有三種，分別是三星的S3C4510B，Micrel的KS8695，以及MARVELL的88E6218,其中S3C4510B是ARM7內核，內部沒有集成PHY，需要外部擴展；KS8695和88E6218都是ARM9的內核，內部都集成了多口PHY，芯片工作速率都可達166M；通過上述資料及數據，可以得出下表芯片方案選型最小系統硬件成本(1000套)￥特點控制子板總成本估算FreescaleMCF52236(假設芯片內部

9、存儲空間足夠)55(主芯片)2.5(插裝晶振)57.5較好的軟件開發支持，包括TCP/IP；內部集成128KB flash，32KB sram，集成10/100M PHY溫度范圍4085度，芯片適合工控，穩定性及可靠性較好；芯片內部存儲空間有限，對功能上可能會有限制；57.5+20=77.5三星S3C4510B32(主芯片)8(單口PHY)13.5(SDRAM)8.5（FLASH）2.5(插裝晶振) 40（16路AD）104.5有過成熟的開發，包括TCP/IP；外部擴展8MB SDRAM，2M FLASH，外部擴展1個10/100M 以太網口，溫度范圍070度，芯片適合商用;芯片外圍器件較多，

10、穩定性及可靠性較差；104.5+20=124.5MicrelKS869548(主芯片)13.5(SDRAM)8.5（FLASH）2.5(插裝晶振)40（16路AD）112.5有過成熟的開發，包括TCP/IP；集成10/100M PHY，外部擴展8MB SDRAM，2M FLASH，溫度范圍070度，芯片適合商用; 芯片外圍器件較多，穩定性及可靠性較差；112.5+20=132.5MARVELL88E621844(主芯片)13.5(SDRAM)8.5（FLASH）2.5(插裝晶振) 40（16路AD）108.5有過成熟的開發，包括TCP/IP；集成10/100M PHY，外部擴展8MB SDRA

11、M，2M FLASH，溫度范圍070度，芯片適合商用; 芯片外圍器件較多，穩定性及可靠性較差；108.5+20=128.52 開發項目說明正式名稱：正式型號：3 歷史及修改原因4 功能與性能指標詳見下表：子卡端口配置固定端口210/100M以太網口1RS232串口1功能特性交流電壓（8路），電流（8路）指示輸入端支持溫度監控及指示支持數據加密支持管理管理方式Web，命令行,telnet, 集群管理支持升級支持本地升級和遠程升級5 系統結構框圖5 單板命名6 關鍵技術6.1 電源輸出端口控制（1）端口輸出電流測量普通電源插座的電路圖如下：要實現遠程檢測并控制電源插座輸出，就必須知道輸出的狀態，并

12、可通過繼電器對輸出進行控制；電路圖如下當繼電器導通時，所有輸出的電壓是相等的，所以不能通過測量某輸出端口的電壓來檢測負載的工作狀態是否正常；而通過檢測各輸出端口火線或零線上的電流，就可以知道所掛負載是否工作，以及分別使用了多少功率，是否超過閥值；并且可通過比較火線或零線上的電流大小，可以知道是否地線漏電以及其他錯誤狀態；當然這樣會增加cpu工作量，所以也可以考慮只檢測火線或是零線電流；見下圖（只描述一路輸出）如果只測一路電流，可采用電流互感器，見下圖如果主芯片的AD通道只有8路，而每個輸出端口的電流測量都占用一路的話，則電壓及溫度測量就只能使用其他方式測量，例如采用專用芯片，這樣無疑成本會有較

13、大上升；這時，可以參考使用一個AD通道，通過模擬開關切換，同時采樣兩個輸出端口的電流；見下圖（2）由于繼電器狀態以及電流狀態直接與網管頁面上的輸出狀態掛鉤，所以有必要對輸出狀態以及異常狀態報警進行規劃和論證；假設每個輸出端口有4種狀態，分別用綠色，灰色，黃色，紅色來表示，見下表顏色硬件相關參數說明綠繼電器導通，有電流輸出正常，負載處于工作狀態灰繼電器導通，無電流輸出正常，負載未處于工作狀態黃繼電器斷開，無電流CPU主動斷開繼電器，負載未處于工作狀態紅繼電器斷開，無電流由于異常，繼電器調閘，負載未處于工作狀態黃和紅兩種狀態的區分可以通過軟件來實現，主要確認是否是CPU下的指令；6.2 電壓的監控

14、電壓的監控可以在輸入端進行，將220V通過電阻分壓或電壓互感器降壓和處理后可以接到CPU的AD進行采樣； A通過電阻分壓進行電壓測量，缺點是沒有隔離，強電容易對弱電電路產生影響B通過電壓互感器進行降壓和處理，優點是有隔離，精度較高，成本較高；6.3 溫度的測量溫度測量有多種實現方式，下面就詳細介紹4種方式A 采用熱敏電阻、信號放大電路以及A/D轉換熱敏電阻具有負的電阻溫度特性,當溫度升高時,電阻值減小,它的阻值溫度特性曲線是一條指數曲線,非線性度較大。而對于本設計，因為溫度要求不高，是在室溫環境下，熱敏電阻的阻值與環境溫度基本呈線性關系，這樣可以通過電阻分壓簡單地將溫度值轉化為電壓值。

15、0;   給熱敏電阻通以恒定的電流，可得到電阻兩端的電壓，根據與熱敏電阻特性有關的溫度參數T0 以及特性系數k，可得下式TT0-kV(t) (1)式中T為被測溫度。根據上式，可以把電阻值隨溫度的變化關系轉化為電壓值隨溫度變化的關系,由于熱敏電阻的電信號一般都是毫伏級，必須經過放大，將熱敏電阻測量到的電信號轉化為03.6之間，才能在單片機中使用。下圖為放大電路原理圖。穩壓管的穩壓值為1.5V。數模轉換部分使用單片機自帶的A/D轉換器，能同時實現數模轉換和控制，免去使用專用的轉換芯片，使系統處理速度更快，精度更高；該方案的優勢是成本較低（在23￥），精度較高（可精確到0.1度）

16、；如果單片機的A/D轉換器不夠，需要外接的話，那么該方案的成本優勢就不明顯了，而且電路會較復雜；B利用單片機多余I/O口實現的溫度檢測電路P1.0、P1.1和P1.2是單片機的3個IO腳；RK為100k的精密電阻；RT為100K精度為1的熱敏電阻；R1為100的普通電阻；C1為0.1的瓷介電容。其工作原理為：先將P1.0、P1.1、P1.2都設為低電平輸出，使C1放電至放完。 將P1.1、P1.2設置為輸入狀態，P1.0設為高電平輸出，通過RK電阻對C1充電，單片機內部計時器清零并開始計時，檢測P1.2口狀態，當P1.2口檢測為高電平時，即C1上的電壓達到單片機高電平輸入的門嵌電壓時，單片機計

17、時器記錄下從開始充電到P1.2口轉變為高電平的時間T1。 將P1.0、P1.1、P1.2都設為低電平輸出，使C1放電至放完。 再將P1.0、P1.2設置為輸入狀態，P1.1設為高電平輸出，通過RT電阻對C1充電，單片機內部計時器清零并開始計時，檢測P1.2口狀態，當P1.2口檢測為高電平時，單片機計時器記錄下從開始充電到P1.2口轉變為高電平的時間T2。 從電容的電壓公式：   可以得到：T1RKT2RT，即 RTT2×RKT1    通過單片機計算得到熱敏電阻RT的阻值。并通過查表法可以得到溫度值。   

18、; 從上面所述可以看出，該測溫電路的誤差來源于這幾個方面：單片機的定時器精度，RK電阻的精度，熱敏電阻RT的精度，而與單片機的輸出電壓值、門嵌電壓值、電容精度無關。因此，適當選取熱敏電阻和精密電阻的精度，單片機的工作頻率夠高，就可以得到較好的測溫精度。    當單片機選用4M工作頻率，RK、RT均為1精度的電阻時，溫度誤差可以做到小于1。該方案的優勢是成本極低（不超過1￥），不占用單片機的AD通道，但是精確性不高，而且可靠性較低；C溫度頻率變換檢測法硬件由溫度傳感器、溫度頻率變換電路、單片機、顯示電路等組成，原理如圖所示溫度/頻率變換電路由集成塊NE555、電阻R

19、0、溫度傳感器Rt（CWF51A）、振蕩電容C0組成無穩態振蕩電路，由集成塊NE555第3腳輸出頻率信號，與單片機輸入相接；利用單片機的計算機和查表功能對熱敏電阻溫度非線性特性進行線性化處理；該方案的優勢是成本較低（不超過2￥），精確性較高（可精確到0.1度），不占用單片機的AD通道，D 單線數字溫度傳感器測量法DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3引腳TO92小體積封裝形式；溫度測量范圍為55125,可編程為9位12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個D

20、S18B20可以并聯到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統。見下圖類似的單芯片溫度傳感器還有LM35（5.5Y,常溫下測溫精度為+/-0.5以內,需接放大器）等；該方案的優勢是電路簡單，不占用單片機的AD通道，精確性高，而且可靠性較高；缺點是成本較高；（在710￥左右）6.47 關鍵器件8 可靠性、安全性、電磁兼容性設計9 電源設計10 工藝結構設計10.1 造型設計方案10.2 結構設計方案控制電路與強電部分可做在一塊PCB上，這樣生產方便，而且信號穩定性

21、較高；不建議采用插卡式安裝；10.3 安裝設計方案10.4 結構熱設計方案控制子板由于沒有大功耗芯片，而且考慮到穩定性，所以不適于安裝風扇；10.5 結構EMC設計方案10.6 可生產性設計準則10.6.1 單板/背板可裝配性準則10.6.2 整機/配線可裝配性準則10.7 產品生產方式舉例：整機裝配按流水線方式進行，生產方式類似于現有XXX產品，可利用現有的 場地和設備。由于選配的模塊板單獨發貨，進行單板老化，不進行整機老化。整機現有類似的產品整機生產流程為：單板加工總裝機箱裝配入庫；總裝機箱調測整機裝配整機調測包裝發貨。10.8 工藝繼承性10.9 產品制造方案和質量控制點方案 10.10 關鍵工藝的解決方案11 測試設計舉例：v所有的硬