張丹丹 張海云 黃牛

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司七一二研究所，武漢 430064)

1 引言

蓄電池是一種能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，需要時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它是一種供電方便、安全可靠的直流電源，因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于蓄電池是一種化學(xué)反應(yīng)裝置，其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)一般不易及時(shí)察覺，日常使用中的缺陷也不會(huì)立即反應(yīng)出來(lái)，因此，為了確保蓄電池的正確使用和維護(hù)，裝配蓄電池參數(shù)檢測(cè)的智能模塊至關(guān)重要，設(shè)計(jì)了一種以智能傳感器和 CAN總線為核心的智能化鉛酸蓄電池參數(shù)的檢測(cè)模塊，它將傳統(tǒng)的分布式檢測(cè)系統(tǒng)中的檢測(cè)功能進(jìn)一步下放到現(xiàn)場(chǎng)智能模塊單元，具有自動(dòng)補(bǔ)償能力、在線校準(zhǔn)、自診斷、數(shù)據(jù)處理、雙向通道、信息存儲(chǔ)和記憶及數(shù)據(jù)輸出等功能，減輕了蓄電池維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 智能模塊的組成及功能

蓄電池參數(shù)檢測(cè)的智能模塊由智能傳感器、ARM及外圍電路、提升電路、升壓電路和CAN通訊電路等構(gòu)成，主要用于單塊蓄電池電壓、溫度、密度、液位的檢測(cè)。該智能模塊將1.2～3.0 V蓄電池電壓升至所需的5 V、12 V、3.3 V、1.8 V電源，并將傳感器模擬信號(hào)調(diào)理為數(shù)字信號(hào)，通過(guò) CAN口傳輸數(shù)據(jù)。提升電路用于提升浮子，消除浮子上的氣泡與雜質(zhì)，提高密度檢測(cè)精度。

3 智能模塊的硬件設(shè)計(jì)

智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器相結(jié)合而構(gòu)成的，它充分利用微處理器的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。溫度傳感器為數(shù)字式傳感器，通過(guò)單總線與微處理器相連傳送數(shù)據(jù)。液位傳感器為浮球式傳感器，輸出開關(guān)量信號(hào)至微處理器進(jìn)行上、下液位的報(bào)警。密度傳感器為壓力橋接傳感器，其信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化調(diào)節(jié)器、A/D轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后，送入微處理器中進(jìn)行處理。

該智能模塊電路圖如圖1所示。

圖1 智能模塊電路框圖

3.1 智能模塊電源電路

蓄電池智能模塊的檢測(cè)對(duì)象是端電壓為2 V左右的鉛酸蓄電池，由于每組蓄電池的數(shù)量較大，多達(dá)上百節(jié)，而我們的設(shè)計(jì)是一對(duì)一的檢測(cè)。傳統(tǒng)的供電解決方案是：將交流220 V按要求變換以后再對(duì)每個(gè)檢測(cè)模塊進(jìn)行供電，該方案接線繁瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布線非常困難，而智能模塊的設(shè)計(jì)只需一根 CAN總線即可解決上述問(wèn)題。因?yàn)榭紤]到鉛酸蓄電池本身就是一個(gè)直流電源，如果能從蓄電池直接取電，這將大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。但是蓄電池電壓在1.5V到3V左右變換，這為設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大困難。通過(guò)大量試驗(yàn)及準(zhǔn)確計(jì)算智能模塊的功率要求，采用了二款直流升壓芯片，將智能模塊的輸入電壓升壓到5 V及12 V，再將5 V通過(guò)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓至微處理器所需的1.8 V、3.3 V，完全滿足智能模塊的電源設(shè)計(jì)要求，即使到了蓄電池放電末期，蓄電池電壓降到 1.5左右時(shí)，智能模塊仍可以穩(wěn)定工作。智能模塊電源框圖如圖2所示。

圖2 智能模塊電源框圖

3.2 電壓測(cè)量電路

為了高精度，高可靠地檢測(cè)出蓄電池的電壓信號(hào)，需要選用高質(zhì)量的前置放大器, 低功耗(3 V時(shí) 1.5 mW)、寬電源電壓范圍、滿電源幅度輸出，使AD623成為電池供電應(yīng)用的理想選擇。在低電源電壓下工作時(shí).滿電源幅度輸出使動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大。AD623可取代分立的儀表放大器設(shè)計(jì)，且在最小的空間內(nèi)提供很好的線性度、溫度穩(wěn)定性和可靠性。

AD623是一個(gè)集成單電源、3路運(yùn)放的儀表放大器。它能在單電源(+3V到+12V)下提供滿電源幅度的輸出。AD623允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程。以得到更好的用戶靈活性。且符合8引腳的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳配置。AD623通過(guò)提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CMRR)而保持最小的誤差。線路噪聲及諧波將由于共模抑制比(CMRR)在高達(dá)200 Hz時(shí)仍保持恒定而受到抑制。AD623具有較寬的共模輸入范圍，它可以放大具有低于地電平150 mV共模電壓的信號(hào)，可單電源或雙電源工作，具有較高的CMRR和極低的電壓漂移，除了一個(gè)控制可編程增益的外接電阻外，所有元件都集成在內(nèi)部，提高了電路溫度穩(wěn)定度和可靠性。選用該器件可消除采用普通運(yùn)放和外圍電阻所引起的輸出信號(hào)的溫度漂移。

應(yīng)用AD623的調(diào)理電路如圖3。它可以采用單電源供電，外接電阻后其增益最高可達(dá) 1000倍，放大倍數(shù)與外接電阻的關(guān)系式為：G=l+100 k?／R 。在AD623的輸入端接入 R1a 、R1b、Cla和 C1b是用來(lái)濾除無(wú)線電頻率干擾(radio frequency interference，RFI)，其中 R1a與 R1b，Cla和C1b應(yīng)分別相同。

圖3 AD623調(diào)理電路

3.3 密度測(cè)量電路

智能模塊的設(shè)計(jì)本著集成化、一體化、低功耗的原則。在傳統(tǒng)的蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)中最難解決的當(dāng)數(shù)密度檢測(cè)。由于鉛酸蓄電池的惡劣工作環(huán)境以及工作特性，到目前還沒有一種完美的檢測(cè)方法，以前應(yīng)用中所采用的浮子法仍是目前技術(shù)條件下較好的方法。其原理是隨著試件受力變形，使電阻值發(fā)生變化，而電阻變化是與試件應(yīng)變?chǔ)懦杀壤?，公式?：

式中：L為應(yīng)變梁中心至力的距離，b為應(yīng)變區(qū)寬度，h為應(yīng)變區(qū)厚度，E為應(yīng)變梁材料彈性模量，其原理示意圖如圖4所示。

圖4 浮子法原理示意圖

但是該檢測(cè)方法具有先天性的缺陷，就是檢測(cè)精度會(huì)隨著應(yīng)變梁的特性改變而降低，易受溫度的影響并且具有很大的失調(diào)和失調(diào)漂移，線性度也會(huì)變差。同時(shí)該密度檢測(cè)方法的輸出信號(hào)也非常微弱，通常為幾個(gè)毫伏，極易受干擾。針對(duì)應(yīng)變梁的漂移、線性度差等問(wèn)題，首先從應(yīng)變梁本身出發(fā)，增加應(yīng)變片的厚度和浮子的體積，使傳感器輸出的信號(hào)盡可能大和穩(wěn)定，此外，還需考慮電子校準(zhǔn)和補(bǔ)償。采用數(shù)字化調(diào)節(jié)器芯片，溫度偏差和標(biāo)度進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償并對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行線性化處理。模擬信號(hào)通道放大傳感器的信號(hào)并且為零點(diǎn)、測(cè)量范圍、零點(diǎn)漂移、測(cè)量范圍漂移和線性誤差提供數(shù)字校準(zhǔn)，校準(zhǔn)參數(shù)存儲(chǔ)在外部非易失性的存儲(chǔ)器中以避免手動(dòng)微調(diào)并確保長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。該芯片的性能極大地彌補(bǔ)了浮子測(cè)量法本身的不足。大量的試驗(yàn)證明采用該芯片保證了測(cè)量精度，將誤差控制在要求范圍內(nèi)，并可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，無(wú)需校準(zhǔn)。數(shù)字化調(diào)節(jié)器將應(yīng)變梁的毫伏級(jí)信號(hào)放大到0～2.4 V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，電壓輸出大小可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求改動(dòng)各個(gè)參數(shù)的大小，從而使輸出滿足設(shè)計(jì)要求，各種偏移量和增益大小都可以在器件的允許范圍內(nèi)進(jìn)行改動(dòng)，并且把計(jì)算后的參數(shù)燒寫到可編程傳感器調(diào)節(jié)器的外部EEPROM中，EEPROM通過(guò)I2C總線與可編程傳感器調(diào)節(jié)器進(jìn)行通訊，無(wú)需外部CPU進(jìn)行任何的干預(yù)控制。

數(shù)字化調(diào)節(jié)器完成密度傳感器信號(hào)的處理后，將放大整理后的電壓信號(hào)送到CPU的AD口上，CPU芯片采用低功耗的ARM芯片。ARM自帶10位AD端口，節(jié)省了外設(shè)AD芯片。ARM對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，依據(jù)兩點(diǎn)密度值對(duì)應(yīng)的電壓值計(jì)算出一條密度曲線（曲線也是上位機(jī)進(jìn)行密度校準(zhǔn)的基礎(chǔ)）進(jìn)行計(jì)算校準(zhǔn)等。采用 ARM芯片為很多軟件控制提供了平臺(tái)。為了進(jìn)一步提高密度測(cè)量精度，我們?yōu)槊芏葌鞲衅靼惭b了提升裝置步進(jìn)電機(jī)。該提升裝置可以消除氣泡與雜質(zhì)對(duì)測(cè)量精度的影響。該提升裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)采用自動(dòng)控制方式，由軟件根據(jù)電池的各項(xiàng)參數(shù)變化特征對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

3.4 溫度、液位測(cè)量電路

溫度傳感器采用數(shù)字式傳感器，該傳感器自帶I2C總線，ARM也帶有I2C接口，因此該溫度傳感器可以直接掛到 ARM芯片上，使得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠。液位傳感器采用開關(guān)式傳感器，直接通過(guò)ARM的I/O進(jìn)行觀測(cè)。

3.5 硬件的抗干擾設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的場(chǎng)合中，產(chǎn)生電磁信號(hào)的設(shè)備較多，包括超短波設(shè)備、音頻設(shè)備、電源等，因此抗干擾顯示尤其重要。主要采取了以下措施：

（1）為了進(jìn)一步提高CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，保證各節(jié)點(diǎn)之間在電氣上是完全隔離和獨(dú)立的，ARM的TX0和RX0分別通過(guò)高速光耦與TJA1050的TXD的RXD相連。應(yīng)該特別說(shuō)明的是，光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離采用小功率電源隔離模塊。電路雖復(fù)雜一些，但是卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

（2）在CAN總線的兩端加有兩個(gè)120 ?的電阻，這兩個(gè)電阻對(duì)于總線阻抗的匹配起著相當(dāng)重要的作用。去掉它們會(huì)使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信。

（3）CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30 pF的小電容，可以濾除總線上的高頻干擾并且具有一定的防電磁輻射的能力；在兩根 CAN總線接入端之間并入了TVS管，當(dāng)CAN總線竄入電壓干擾時(shí)可通過(guò) TVS管的短路起到一定的過(guò)壓保護(hù)作用[2]。

（4）在硬件設(shè)計(jì)上采用了“看門狗”電路，該電路用來(lái)監(jiān)視主程序的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)主程序因干擾陷入死循環(huán)，且運(yùn)行時(shí)間超過(guò)“看門狗”電路規(guī)定的延時(shí)要求時(shí)，電路便發(fā)出復(fù)位信號(hào)，將ARM單片機(jī)的主程序納入正常的運(yùn)行狀態(tài)，以保證智能模塊在任何條件下都能穩(wěn)定可靠地工作，提高了抗干擾能力。

（5）為了減小現(xiàn)場(chǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的干擾，采用屏蔽雙絞線。

4 智能模塊的軟件設(shè)計(jì)

智能模塊軟件主要包括數(shù)據(jù)采集與處理軟件和CAN總線通信軟件。

數(shù)據(jù)采集與處理軟件主要是對(duì)‘檢查電池’的電壓、密度、溫度及高低液位信號(hào)進(jìn)行采樣與計(jì)算，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，涉及到數(shù)據(jù)濾波、信號(hào)補(bǔ)償?shù)龋缓笤?ARM單片機(jī)控制下將數(shù)據(jù)傳送到CAN控制器發(fā)送緩沖區(qū)。

CAN總線通信是根據(jù)CAN2.0B協(xié)議進(jìn)行的，CAN通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，包括各種通信幀的組織發(fā)送，由集成在CAN控制器中的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。CAN總線通信軟件主要包含 CAN控制器的初始化、CAN總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送程序。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、微處理器技術(shù)的發(fā)展，蓄電池參數(shù)的檢測(cè)由人工手動(dòng)檢測(cè)發(fā)展到分布式多點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)，將逐步被現(xiàn)場(chǎng)總線檢測(cè)系統(tǒng)所取代。針對(duì)蓄電池密度、溫度、電壓檢測(cè)的精度要求高、維護(hù)方便、干擾因素復(fù)雜的問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用將智能模塊作為獨(dú)立的個(gè)體和各單體蓄電池安裝在一起，通過(guò) CAN總線與微控制器相連，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造和安裝、維修方便，制造和運(yùn)行成本低，并可盡早發(fā)現(xiàn)電池的缺陷，以使其得到及時(shí)處理，達(dá)到延長(zhǎng)蓄電池壽命和提高蓄電池的可靠性的目的。智能模塊已通過(guò)了長(zhǎng)達(dá)2000 h的可靠性模底試驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，精度滿足要求。

[1]周立功等. ARM 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2006

[2]饒運(yùn)濤, 鄒繼軍, 鄭勇蕓. 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù). 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.