劉彥磊，梁紅杰，吉 紅，黃占平

（1.天津渤海職業(yè)技術學院，天津300402；2.河北省地震局，河北 石家莊050021）

基于ARM的無人值守地震臺站蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

劉彥磊1，梁紅杰2，吉 紅1，黃占平2

（1.天津渤海職業(yè)技術學院，天津300402；2.河北省地震局，河北 石家莊050021）

介紹一種以ARM芯片為微處理器的地震臺站蓄電池遠距離在線實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，同時采用專門用于監(jiān)測電池的智能型專用芯片DS2438和LEM的智能蓄電池傳感器Sentinel、電流傳感器兩套采集系統(tǒng)，對電池的溫度、電壓、電流和剩余電量等參數(shù)的采集，大大簡化了硬件電路的設計。系統(tǒng)采用模塊化的設計結構能使系統(tǒng)更加可靠、簡單和實用。通信系統(tǒng)采用4G（LTE）無線通信技術實現(xiàn)與省局前兆中心遠程通信和監(jiān)控，實現(xiàn)對無人值守的地震臺站蓄電池的遠距離在線實時監(jiān)測。結果表明，該系統(tǒng)很好地達到了預期目標。

ARM；DS2438；Sentinel；4G（LTE）

我省前兆無人值守臺站數(shù)量眾多，儀器供電裝置一直比較落后，裝置簡單，多次出現(xiàn)蓄電池虧電造成儀器停測的故障，甚至造成儀器損壞。本項目通過對河北省地震前兆臺網(wǎng)無人值守臺站儀器電源管理系統(tǒng)模塊化及電源供電遠程監(jiān)控的設計開發(fā)，實現(xiàn)通過遠程監(jiān)控，將全省各個無人值守臺站的電源狀態(tài)及時反饋到省局前兆臺網(wǎng)中心，進行及時監(jiān)控，做到儀器設備電源供電系統(tǒng)故障前早預警、早干預，及時有效的確保地震觀測儀器穩(wěn)定可靠的連續(xù)運行。

1 工作原理

依據(jù)蓄電池的主要性能參數(shù)，利用DS2438芯片的智能電池監(jiān)測系統(tǒng)和LEM的智能蓄電池傳感器Senti?nel、電流傳感器對儀器的供電方式和電池的電壓、電流、溫度、剩余電量進行監(jiān)測，通過RS 232總線通信的方式把采集的數(shù)據(jù)送到ARM芯片進行分析處理，處理完的數(shù)據(jù)經(jīng)過地震前兆數(shù)據(jù)采集器送到上位機，進行人機交互顯示并通過4G（LTE）無線通信技術把處理完成的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞【智罢字行膹亩鴮崿F(xiàn)遠距離在線實時監(jiān)測功能。

2 硬件系統(tǒng)方案設計

依據(jù)蓄電池的相關參數(shù)[1]的研究，溫度、充放電電壓、電流對于鉛酸蓄電池的性能都有很大的影響，欠壓或過壓都很可能導致蓄電池的損壞，放電電流過載也會對蓄電池的壽命造成嚴重的影響，鉛酸蓄電池的各個參

數(shù)之間的關系較為復雜，無法從單一的參數(shù)中確定蓄電池的運行狀態(tài)。因此，本課題通過基于一種智能化的全新的電源管理系統(tǒng)模塊化及遠程監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)方案

整個蓄電池管理系統(tǒng)總體設計方案主要由5部分組成：

（1）微處理器模塊。完成整個硬件電路的控制和模塊間的通信功能，包括將數(shù)據(jù)采集單元的模擬數(shù)據(jù)送入地震前兆數(shù)據(jù)采集器；完成采集單元和數(shù)采的參數(shù)協(xié)議轉換；連接數(shù)采對外充電電源接口與控制充放電開關單元，實現(xiàn)對蓄電池組的充電功能。

（2）蓄電池數(shù)據(jù)采集模塊。包括電壓采集單元的設計，主要完成如下功能：是采集蓄電池電極間電壓參數(shù)，通過對電壓的監(jiān)測，來準確判斷蓄電池的充放電狀態(tài)，蓄電池的運行狀態(tài)。

（3）充放電開關控制模塊[5]。完成地震前兆數(shù)據(jù)采集器對蓄電池充電和蓄電池對地震前兆儀器供電功能，實現(xiàn)對蓄電池的充放電智能保護。

（4）地震前兆數(shù)據(jù)采集器。完成前兆臺網(wǎng)對蓄電池運行性能的實時監(jiān)控。

（5）通信模塊。通過4G無線網(wǎng)絡實現(xiàn)與省局前兆地震中心的通信和在線監(jiān)測功能。

2.1 微處理器模塊

微處理器模塊主要采用ARM7結構的LPC2103作為主控制器，該控制器是一種32位的ARM7 TDMI?S微控制器，最高工作速度可達70 MHz，32 KB的片內(nèi)FLASH程序存儲器和8 KB的片內(nèi)靜態(tài)RAM。主要由最小系統(tǒng)、復位電路、與電壓電流內(nèi)阻等采集模塊的通信接口[3?4]，上位機接口等組成如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

采用是DALLAS公司的電池監(jiān)測芯片DS2438，只有一根雙向數(shù)據(jù)線，為了跟LPC2103芯片總線連接，通過一個三極管和兩個隔離器把一個雙向數(shù)據(jù)線改成兩根總線然后連接到ARM芯片LPC2103總線的P0.0和P0.1管腳，內(nèi)含數(shù)字溫度傳感器可直接測量電池溫度；片內(nèi)A/D可進行電池電壓監(jiān)測，可判定充電和放電的狀態(tài)；片內(nèi)的積分電流累加器可實時記錄電池流入、流出電流的總量[5?6]，便于計算剩余電量；具體采集電路設計如圖3所示。

圖2 微處理器模塊電路圖

圖3 電池參數(shù)采集電路圖

為了保證數(shù)據(jù)采集的準確性和可靠性同時也采用LEM公司的Sentinel智能電池傳感器對單個電池的電壓，溫度和內(nèi)阻測量，通過專屬總線S?BUS傳送給數(shù)據(jù)記錄器S?BOX，電流傳感器對電池的充電，放電或者浮充狀態(tài)檢測，檢測系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 Sentinel智能電池傳感器采集框圖

2.3 通信模塊

通信模塊功能一是實行微處理器與地震前兆數(shù)據(jù)采集器的通信，二是實現(xiàn)上位機與地震前兆數(shù)據(jù)采集器的通信同時利用4G無線移動通信技術實現(xiàn)與地震前兆中心的遠距離在線監(jiān)測功能，使用中興公司的4G（LTE）通信模塊ME3760，它是一款Mini PCI?E接口的LTE模塊，支持LTE TDD band38（2.6 GHz），band39（1.9 GHz），band40（2.3 GHz）；LTE FDD band7（2.6 GHz），向下兼

容TD?SCDMA A頻段（2.1 GHz）和F頻段（1.9 GHz）以及GSM 900 MHz，GSM 1 800 MHz，支持最大100 Mb/s，50 Mb/s的理論上下行數(shù)據(jù)傳輸速率，分別在無人值守的臺站和省局前兆中心電腦上裝ME3760，可實現(xiàn)4G無線通信。

3 軟件設計

軟件的設計采用模塊化，即主模塊的軟件設計和子系統(tǒng)的軟件設計，主模塊軟件主要完成對LPC2103的系統(tǒng)初始化、電池參數(shù)的采集、地震前兆數(shù)據(jù)采集器的通信接口程序設計、參數(shù)的分析處理和控制，電池異常判斷等功能，設計流程及其程序代碼如圖5所示。

圖5 主模塊軟件設計流程圖

電池參數(shù)采集程序設計主要有電池電壓采集子程序、電流采集子程序、溫度采集子程序和內(nèi)阻采集子程序等組成，其中電壓采集程序流程如圖6所示。

圖6 電池電壓采集子程序流程圖

4 結語

本項目新型鉛酸蓄電池智能管理系統(tǒng)的設計，依托現(xiàn)有地震前兆數(shù)據(jù)采集器平臺開發(fā)智能化的蓄電池管理系統(tǒng)，具有成本低，及時監(jiān)控，有效預警，安全可靠的特點。大大節(jié)約了財力和人力，并在地震前兆臺網(wǎng)無人值守臺站儀器電源管理系統(tǒng)中得到了應用，具有很好的應用價值和經(jīng)濟價值。

[1]李俄收，吳文民.鉛酸蓄電池的充電方法與充電工藝[J].電源技術，2004（5）：328?330.

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[3]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005．

[4]陳貴峰.基于ARM9的蓄電池管理系統(tǒng)研究[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學，2011.

[5]李立偉，鄒積巖.蓄電池在線檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電工技術，2002（11）：7?9.

[6]孫步勝，孫延春.基于單片機MSP430的蓄電池監(jiān)測儀[J].儀表技術與傳感器，2007（7）：15?16．

Design and implementation of ARM?based battery monitoring system for Unattended seismic stations

LIU Yan?lei1，LIANG Hong?jie2，JI Hong1，HUANG Zhan?ping2
（1.Tianjin Bohai Vocational Technical College，Tianjin 300402，China；2.Hebei Seismological Bureau，Shijiazhuang 050021，China）

The design and implementation of battery remote online real?time monitoring system for seismic stations is intro?duced，which takes ARM chip as microprocessor，and uses a dedicated battery monitoring smart chip DS2438 and intelligent battery sensor LEM Sentinel and current sensor acquisition system for the battery temperature，voltage，current and remaining power.It greatly simplifies the hardware circuit design.The system uses a modular design structure to make the system more reliable，simple and practical.The communication system uses 4G（LTE）wireless communication technology to achieve remote communi?cation with the provincial bureau precursor and monitoring center，and achieve the unmanned seismic stations’online real?time remote monitoring of the battery.

ARM；DS2438；Sentinel；4G（LTE）

TN06?34

A

1004?373X（2015）04?0129?03

劉彥磊（1982—），男，河北邢臺人，碩士，講師，工程師。研究方向為自動化控制技術及嵌入式系統(tǒng)。

2014?08?15

河北省地震局科技星火計劃項目（20130304）