引言
近年來，蓄電池在民用和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛。為保障系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行，研究與設(shè)計高效廉價、準(zhǔn)確方便和快捷實用的蓄電池檢測裝置十分必要。蓄電池單體電壓較低，很少以其自然形態(tài)直接使用，大多采用串聯(lián)或串并聯(lián)組合的方式，同時，蓄電池的電量隨工作時間的延長和用電時間的增加會逐漸衰竭，很難保證組合中每個單體蓄電池工作特性一致。因此，必須采用合理的監(jiān)控設(shè)備，通過在線實時檢測各單體蓄電池的充放電電壓、溫度和整個蓄電池組的充放電流及充放電電壓等參數(shù)，找出損壞或性能顯著降低的蓄電池，以保證直流電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
因此，蓄電池組的檢測應(yīng)該采取分散采集、集中監(jiān)控的方式。一般的檢測采用RS-232或RS-485總線，由于其為主從方式總線，檢測終端無法主動向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。本蓄電池組智能巡檢儀通過非主從方式的CAN總線作為蓄電池組的分步式巡回采集總線，使得檢測系統(tǒng)具有高可靠性、可擴充性和實時性等優(yōu)點，更加適合于蓄電池組的檢測與維護。
1 巡檢儀總體設(shè)計及工作原理
1.1 CAN總線介紹
CAN(Controller Area Network)總線是由德國BOSH公司在1986年為汽車的監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè)計一款串行通信網(wǎng)絡(luò)[2]。CAN總線可以為多主方式工作，不分主從，可以點對點、點對多點及全局廣播方式傳送和接收數(shù)據(jù)，且具有非破壞性總線仲裁技術(shù)；以5bit／s速率，通信距離最大可達10 km，傳輸介質(zhì)可用雙絞線、同軸電纜或光纖；CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀8字節(jié)，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低，被公認(rèn)為是最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。
1．2 巡檢儀總體設(shè)計
單體檢測單元分別檢測蓄電池組的24節(jié)單體電池的電壓和電流，各個檢測單元的硬件結(jié)構(gòu)十分相似，同時還有一個單獨的檢測單元用來檢測蓄電池組整體的電壓和電流。檢測單元實時監(jiān)測并向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機接收各個檢測單元的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲、顯示和打印，同時對單體電池的故障進行診斷和報警。
1．3 單體蓄電池檢測單元的設(shè)計
單體蓄電池電壓檢測的功能是實現(xiàn)對單體電池電壓和溫度的檢測和網(wǎng)絡(luò)傳輸。該單元由電壓信號變換、單片機系統(tǒng)、CAN總線接口和電源組成。該單元是基于CAN通信的電壓檢測模塊，檢測到的電壓模擬信號經(jīng)處理并數(shù)字化后，通過CAN總線傳輸給控制管理單元。
檢測終端采集到蓄電池單體電壓和溫度信號后，進行放大、濾波、A／D轉(zhuǎn)換和隔離，送入單片機，單片機將通過CAN總線與上位機進行數(shù)據(jù)通信。其中，檢測電路采用串行接口的12位A／D轉(zhuǎn)換器ADS7841P，采樣周期小于20 ms，通過光電隔離與單片機連接。單片機采用低功耗、小體積8位單片機LPC932。該單元用LED(發(fā)光二極管)指示工作狀態(tài)。通過帶有串行接口的CAN控制器與單片機連接，CAN總線用于向上位機傳輸檢測數(shù)據(jù)。單元內(nèi)的隔離電源采用小型DC／DC模塊電源。
1．4 檢測系統(tǒng)的工作原理
各檢測單元將檢測到的電流、電壓和溫度數(shù)據(jù)按CAN總線規(guī)范存儲到CAN緩沖區(qū)，并啟動發(fā)送命令將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，這些數(shù)據(jù)通過CAN總線向上位機進行發(fā)送。上位機的CAN控制器將接收到的數(shù)據(jù)存儲在緩沖器中，向上位機發(fā)送中斷請求，若上位機響應(yīng)中斷，則接收這些數(shù)據(jù)并進行處理，將其轉(zhuǎn)化成電壓、電流和溫度信號顯示出來，并對這些信號進行分析和診斷，若發(fā)現(xiàn)異常情況，則發(fā)出警告信息。
2 單體檢測單元節(jié)點電路的設(shè)計
2．1 溫度采集電路
蓄電池的溫度在很大程度上影響著其工作性能，所以有必要采集蓄電池的溫度信息。系統(tǒng)對蓄電池溫度進行循環(huán)檢測，采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)放大、濾波和A／D轉(zhuǎn)換并送到單片機，然后發(fā)送到CAN總線上。其中運算放大器A1提供一個恒壓，電阻R3、R4、R6和熱敏電阻R5組成一個橋路，經(jīng)運算放大器A2后差分輸出。
2．2 電壓采集電路
系統(tǒng)采集單體蓄電池的電壓是相對電壓，為了保證電壓檢測的準(zhǔn)確性和不影響系統(tǒng)的工作，采用光電隔離器進行隔離，經(jīng)運算放大器后輸入單片機。
電壓采樣電路采用線性光耦隔離芯片HCNR201，它是一種性價比較高的模擬光電隔離器，由一個高性能的AlGas LED和兩個特性十分相近的光敏二極管PD1和PD2組成。輸入光敏二極管PD1用來檢測并穩(wěn)定LED輸出光的強度，它能夠很好地抑制LED輸出光的漂移，改善其線性度；輸出光敏二極管PD2用來產(chǎn)生一個正比于LED光強度的光電流。由于兩個二極管特性相近且封裝在一個集成芯片內(nèi)，因此當(dāng)LED發(fā)光時，PD1和PD2接收到LED光的數(shù)量成比例，且不受外部雜散光的干擾，所以具有很好的增益穩(wěn)定性和優(yōu)良的線性度。
輸入電壓變化轉(zhuǎn)化為電流變化，其內(nèi)部呈現(xiàn)如下線性關(guān)系：
由組成的反饋回路可以得到輸入電壓與輸出電壓之間的線性關(guān)系為：
電流采樣電路與電壓采樣電路結(jié)構(gòu)類似，只是將電壓信號通過電阻轉(zhuǎn)化為電流信號后進行采集，本文不再贅述。
2．3 單片機與CAN總線連接電路
本系統(tǒng)的單片機選用增強型51單片機LPC932，LPC932通過SPI總線與CAN控制器MCP2510連接，經(jīng)過高速光電隔離器6N137后連到CAN收發(fā)器82C250上，82C250連接在CAN總線上，實行差分發(fā)送和接收。
3 通信軟件的編制
系統(tǒng)軟件包含自檢程序、數(shù)顯程序、濾波處理程序和通信程序等，其中通信程序是軟件設(shè)計的核心和關(guān)鍵，通信程序主要由初始化程序、發(fā)送程序和接收程序3部分構(gòu)成。
3.1 初始化程序
初始化程序包括單片機LPC932各口的狀態(tài)初始設(shè)置、堆棧的初始設(shè)置、定時器的設(shè)置、存儲器的初始化、中斷的初始化、串口的初始化和CAN控制器初始化狀態(tài)的設(shè)置等，通過對CAN控制器控制段中的寄存器寫入控制字，從而確定CAN控制器的工作方式，本系統(tǒng)采用的CAN控制器為MCP2510，在系統(tǒng)復(fù)位模式下，單片機LPC932要對MCP2510完成寄存器操作，寫接收代碼寄存器與接收屏蔽寄存器，確定節(jié)點要接受的信息ID；寫總線定時寄存器，確定總線通信波特率；寫輸出控制寄存器，選擇正常輸出控制模式。
3.2 發(fā)送程序
數(shù)據(jù)從MCP2510發(fā)送到CAN總線是由其自動完成的。LPC932發(fā)送的過程是：
a）編輯所發(fā)送信息的標(biāo)識ID，然而將幀信息存入外部數(shù)據(jù)存儲器之中。
b）LPC932開始查詢CAN控制器的狀態(tài)寄存器的傳輸緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)志位，若為0，則將信息寫入MCP2510的發(fā)送緩沖區(qū)之中，然后，置命令寄存器TC位為1，發(fā)送該信息。
3.3 接收程序
CAN控制器自動完成信息從CAN總線到CAN接收緩沖區(qū)的傳遞，LPC932接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息即可。MCP2510每成功地接受1幀信息，就把該信息存入內(nèi)部的FIFO中，并產(chǎn)生接收中斷。LPC932響應(yīng)中斷后，將FIFO內(nèi)的信息讀入外部RAM中，然而再釋放該信息所占用的MCP2510緩沖區(qū)。
4 結(jié)束語
本文介紹了一種基于CAN總線的分布式智能蓄電池巡檢儀。該系統(tǒng)實時性好、檢測精度高、易于擴展、抗干擾性好、適用性強。同時，為了更好地對蓄電池的過充電和過放電進行保護，可在系統(tǒng)中增加溫度補償電路，隨著蓄電池應(yīng)用的不斷廣泛，蓄電池組的檢測與維護技術(shù)將是電力電子技術(shù)研究的一個熱點，基于CAN總線的分布式蓄電池檢測系統(tǒng)具有十分明顯的優(yōu)點和實際應(yīng)用價值。
