張丹丹 張海云 黃牛

(中國船舶重工集團公司七一二研究所，武漢 430064)

1 引言

蓄電池是一種能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，需要時再將化學(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，因而在國民經(jīng)濟的各個領(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)一般不易及時察覺，日常使用中的缺陷也不會立即反應(yīng)出來，因此，為了確保蓄電池的正確使用和維護，裝配蓄電池參數(shù)檢測的智能模塊至關(guān)重要，設(shè)計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)的檢測模塊，它將傳統(tǒng)的分布式檢測系統(tǒng)中的檢測功能進一步下放到現(xiàn)場智能模塊單元，具有自動補償能力、在線校準(zhǔn)、自診斷、數(shù)據(jù)處理、雙向通道、信息存儲和記憶及數(shù)據(jù)輸出等功能，減輕了蓄電池維護人員的勞動強度。

2 智能模塊的組成及功能

蓄電池參數(shù)檢測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。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調(diào)理為數(shù)字信號，通過 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)，提高密度檢測精度。

3 智能模塊的硬件設(shè)計

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算和存儲能力，對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理。溫度傳感器為數(shù)字式傳感器，通過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)量信號至微處理器進行上、下液位的報警。密度傳感器為壓力橋接傳感器，其信號經(jīng)過數(shù)字化調(diào)節(jié)器、A/D轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號后，送入微處理器中進行處理。

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對象是端電壓為2 V左右的鉛酸蓄電池，由于每組蓄電池的數(shù)量較大，多達上百節(jié)，而我們的設(shè)計是一對一的檢測。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每個檢測模塊進行供電，該方案接線繁瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，在設(shè)備現(xiàn)場布線非常困難，而智能模塊的設(shè)計只需一根 CAN總線即可解決上述問題。因為考慮到鉛酸蓄電池本身就是一個直流電源，如果能從蓄電池直接取電，這將大大簡化系統(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)計帶來了很大困難。通過大量試驗及準(zhǔn)確計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，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 電壓測量電路

為了高精度，高可靠地檢測出蓄電池的電壓信號，需要選用高質(zhì)量的前置放大器, 低功耗(3 V時 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.滿電源幅度輸出使動態(tài)范圍達到最大。AD623可取代分立的儀表放大器設(shè)計，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是一個集成單電源、3路運放的儀表放大器。它能在單電源(+3V到+12V)下提供滿電源幅度的輸出。AD623允許使用單個增益設(shè)置電阻進行增益編程。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200 Hz時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，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放和外圍電阻所引起的輸出信號的溫度漂移。

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 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是用來濾除無線電頻率干擾(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 密度測量電路

智能模塊的設(shè)計本著集成化、一體化、低功耗的原則。在傳統(tǒng)的蓄電池檢測系統(tǒng)中最難解決的當(dāng)數(shù)密度檢測。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ε成比例，公式為 ：

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

但是該檢測方法具有先天性的缺陷，就是檢測精度會隨著應(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，線性度也會變差。同時該密度檢測方法的輸出信號也非常微弱，通常為幾個毫伏，極易受干擾。針對應(yīng)變梁的漂移、線性度差等問題，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盡可能大和穩(wěn)定，此外，還需考慮電子校準(zhǔn)和補償。采用數(shù)字化調(diào)節(jié)器芯片，溫度偏差和標(biāo)度進行校準(zhǔn)和補償并對傳感器信號進行線性化處理。模擬信號通道放大傳感器的信號并且為零點、測量范圍、零點漂移、測量范圍漂移和線性誤差提供數(shù)字校準(zhǔn)，校準(zhǔn)參數(shù)存儲在外部非易失性的存儲器中以避免手動微調(diào)并確保長時間的穩(wěn)定性。該芯片的性能極大地彌補了浮子測量法本身的不足。大量的試驗證明采用該芯片保證了測量精度，將誤差控制在要求范圍內(nèi)，并可長時間穩(wěn)定工作，無需校準(zhǔn)。數(shù)字化調(diào)節(jié)器將應(yīng)變梁的毫伏級信號放大到0～2.4 V范圍內(nèi)的電壓信號，電壓輸出大小可以根據(jù)設(shè)計要求改動各個參數(shù)的大小，從而使輸出滿足設(shè)計要求，各種偏移量和增益大小都可以在器件的允許范圍內(nèi)進行改動，并且把計算后的參數(shù)燒寫到可編程傳感器調(diào)節(jié)器的外部EEPROM中，EEPROM通過I2C總線與可編程傳感器調(diào)節(jié)器進行通訊，無需外部CPU進行任何的干預(yù)控制。

數(shù)字化調(diào)節(jié)器完成密度傳感器信號的處理后，將放大整理后的電壓信號送到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對電壓信號進行采集，依據(jù)兩點密度值對應(yīng)的電壓值計算出一條密度曲線（曲線也是上位機進行密度校準(zhǔn)的基礎(chǔ)）進行計算校準(zhǔn)等。采用 ARM芯片為很多軟件控制提供了平臺。為了進一步提高密度測量精度，我們?yōu)槊芏葌鞲衅靼惭b了提升裝置步進電機。該提升裝置可以消除氣泡與雜質(zhì)對測量精度的影響。該提升裝置的轉(zhuǎn)動采用自動控制方式，由軟件根據(jù)電池的各項參數(shù)變化特征對步進電機進行控制。

3.4 溫度、液位測量電路

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)計簡單、可靠。液位傳感器采用開關(guān)式傳感器，直接通過ARM的I/O進行觀測。

3.5 硬件的抗干擾設(shè)計

在本設(shè)計所應(yīng)用的場合中，產(chǎn)生電磁信號的設(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）為了進一步提高CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，保證各節(jié)點之間在電氣上是完全隔離和獨立的，ARM的TX0和RX0分別通過高速光耦與TJA1050的TXD的RXD相連。應(yīng)該特別說明的是，光耦部分電路所采用的兩個電源必須完全隔離，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)點的穩(wěn)定性和安全性。

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

（3）CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個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可通過 TVS管的短路起到一定的過壓保護作用[2]。

（4）在硬件設(shè)計上采用了“看門狗”電路，該電路用來監(jiān)視主程序的運行狀態(tài)，當(dāng)主程序因干擾陷入死循環(huán)，且運行時間超過“看門狗”電路規(guī)定的延時要求時，電路便發(fā)出復(fù)位信號，將ARM單片機的主程序納入正常的運行狀態(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)場對節(jié)點的干擾，采用屏蔽雙絞線。

4 智能模塊的軟件設(shè)計

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‘檢查電池’的電壓、密度、溫度及高低液位信號進行采樣與計算，并將采集到的數(shù)據(jù)進行處理，涉及到數(shù)據(jù)濾波、信號補償?shù)龋缓笤?ARM單片機控制下將數(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)議進行的，CAN通信協(xié)議的實現(xiàn)，包括各種通信幀的組織發(fā)送，由集成在CAN控制器中的電路來實現(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

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、微處理器技術(shù)的發(fā)展，蓄電池參數(shù)的檢測由人工手動檢測發(fā)展到分布式多點自動檢測，將逐步被現(xiàn)場總線檢測系統(tǒng)所取代。針對蓄電池密度、溫度、電壓檢測的精度要求高、維護方便、干擾因素復(fù)雜的問題，設(shè)計采用將智能模塊作為獨立的個體和各單體蓄電池安裝在一起，通過 CAN總線與微控制器相連，結(jié)構(gòu)簡單，易于制造和安裝、維修方便，制造和運行成本低，并可盡早發(fā)現(xiàn)電池的缺陷，以使其得到及時處理，達到延長蓄電池壽命和提高蓄電池的可靠性的目的。智能模塊已通過了長達2000 h的可靠性模底試驗，運行穩(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]饒運濤, 鄒繼軍, 鄭勇蕓. 現(xiàn)場總線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.