張 偉，郭 鋒，張永亮

（武漢軍械士官學(xué)校二系，湖北 武漢430075）

0 引 言

蓄電池動力機(jī)械由于其噪聲小、無尾氣污染，在倡導(dǎo)綠色環(huán)保的今天得到了廣泛的應(yīng)用。對于這些機(jī)械而言，蓄電池的性能是決定其工作狀態(tài)的關(guān)鍵因素。因此，研究蓄電池的充放電策略，延長其使用壽命，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。本文以TMS320F2812為核心，對蓄電池充放電電流進(jìn)行在線監(jiān)測，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示、分析和存儲。

1 電流監(jiān)測原理

常用的電流測量方法主要有阻性分流器、互感器和霍爾傳感器。采用磁平衡原理的霍爾傳感器，精度高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)，而且測量的時候不需要跟被測電路接觸，從而在電流的測量中得到了廣泛的應(yīng)用。

基于以上論述，本系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器檢測法，傳感器為LEM公司的LTSR6－NP型霍爾電流傳感器。該傳感器的電流跟隨精度di/dt≥50 A/μs，頻測量帶寬為DC～100 kHz，可以用來測量直流、交流、脈沖和各種不規(guī)則的電流，非常適合蓄電池充放電電流的監(jiān)測。

根據(jù)霍爾電流傳感器的輸出電壓與原邊電流的關(guān)系：

式中，UOUT為輸出電壓；N為原邊匝數(shù)。

本次設(shè)計采用原邊匝數(shù)為1，IPN為10 A，將霍爾傳感器的輸出電壓UOUT經(jīng)過信號調(diào)理后輸入DSP的A/D通道進(jìn)行采集，然后根據(jù)公式（1）即可計算出原邊電流Ip。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)以TMS320F2812芯片為核心，其硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 TMS320F2812芯片

TMS320F2812芯片是TI公司生產(chǎn)的高性能DSP芯片，采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和8級流水線的32位處理器，總線頻率高達(dá)150 MHz，大大提高了數(shù)據(jù)存取速度和指令處理速度［2］。該芯片內(nèi)置128K×16位的Flash；18K×16位的SRAM以及16×12位的A/D通道，并擁有SPI、SCI、McBSP、以及eCAN等多種外設(shè)接口。

2.2 電流信號調(diào)理電路的設(shè)計

為了保護(hù)DSP核心電路并提高測量精度，霍爾傳感器輸出的電壓信號需要經(jīng)過光電隔離和比例放大后才能輸入DSP的A/D通道。光電隔離器件選用線性光耦LOC211，比例放大器件采用LM358，兩種器件配合可以對兩路電壓信號進(jìn)行光電隔離和比例放大，在需要對多路電流進(jìn)行監(jiān)測的情況下，大大減小了電路板的體積。

2.3 以太網(wǎng)接口的設(shè)計

本系統(tǒng)通過以太網(wǎng)跟上位機(jī)通訊，網(wǎng)絡(luò)控制芯片使用DAVICOM半導(dǎo)體公司的DM9000A。該芯片是一款兼有高性能、低功耗的以太網(wǎng)MAC控制器芯片，具有通用的處理器接口，一個10M/100M自適應(yīng)的PHY，兼容3.3 V和5 V的輸入輸出電壓。DM9000A還提供一個 MII（介質(zhì)無關(guān)接口）接口來連接Home PNA設(shè)備或其它支持MII接口的收發(fā)器，支持8位、16位、32位的接口來適應(yīng)不同處理器對內(nèi)部存儲器的訪問。它完全支持lEEE802.3u規(guī)格，支持lEEE 802.3x全雙工的流量控制［3］。它的接口電路設(shè)計比較簡單，容易完成不同系統(tǒng)的軟件驅(qū)動開發(fā)。同時DM9000A還支持雙絞線和光纖兩種以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)。在電磁干擾嚴(yán)重的情況下，只要對雙絞線傳輸?shù)碾娐飞宰鞲募纯蛇M(jìn)行光纖傳輸。

DM9000A的片選信號為XZCS01，映射區(qū)域的起始地址為0x2000。DM9000A和DSP之間通過8位地址/數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信。DM9000A與網(wǎng)絡(luò)的連接由接收信號線Rx＋、Rx－和發(fā)送信號線Tx＋、TX－通過隔離變壓器（Transformer）與以太網(wǎng)水晶接頭RJ45相連，隔離變壓器用來將DSP核心電路同以太網(wǎng)進(jìn)行電氣隔離，以免互相干擾，保護(hù)內(nèi)部電路不受損壞。DM9000A自帶了4個通用輸入輸出接口（GP2－GP5），可以用來設(shè)計LED驅(qū)動電路，顯示網(wǎng)絡(luò)的通斷、報文傳輸狀態(tài)等信息，方便網(wǎng)絡(luò)調(diào)試。

2.4 電源模塊的設(shè)計

本系統(tǒng)中所有器件的供電電壓共有三種：5 V，3.3 V和1.8 V，其中5 V和3.3 V為大部分器件的供電電壓，而1.8 V為DSP核心電源電壓，總功率在8 W左右。本次設(shè)計選用金升陽公司生產(chǎn)的LH15－10D0505－08型 AC－DC模塊電源，將220 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為兩路相互隔離的5 V直流電壓輸出，輸出功率為15 W。該模塊體積僅為62 mm×45 mm×22.5 mm，可以交直流兩用，效率高，功率密度大。輸出的兩路5 V直流電壓一路給沒有光電隔離電路的器件或者光電隔離前的電路供電，另外一路經(jīng)過DC－DC隔離芯片F(xiàn)0505S－2 W隔離后給光電隔離后的電路供電。內(nèi)部電路 中 DSP 所 需 的3.3 V供 電 和1.8 V供 電 由TPS73HD318芯片通過未隔離的5 V電源轉(zhuǎn)換后獲得。

2.5 抗干擾措施

蓄電池充放電時會產(chǎn)生大量的電磁干擾，如果不采取相應(yīng)的抗干擾措施，將會影響測量精度，嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)核心電路受到干擾，造成DSP復(fù)位。因此，本系統(tǒng)在設(shè)計硬件電路時采取了以下措施來增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力：

（1）采用光電隔離器件對信號采集電路和DSP核心電路進(jìn)行隔離，增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集時的抗干擾能力；

（2）設(shè)計金屬外殼機(jī)箱，抑制電磁場干擾；

（3）采用屏蔽雙絞線傳輸或光纖傳輸，增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸時的抗干擾能力；

（4）四層印刷電路板布線，提高穩(wěn)定性，增強(qiáng)抗干擾能力；

（5）模擬地與數(shù)字地分離，裝置對外殼單點(diǎn)接地等電勢，防止外部干擾。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

下位機(jī)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊利用定時器每1 s產(chǎn)生一次中斷，在中斷處理程序中對霍爾傳感器輸入A/D的信號進(jìn)行采集，為了提高采樣精度，在一個中斷內(nèi)進(jìn)行兩次采樣，然后將平均值作為采樣值。數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖2所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)接口模塊

網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要是在DSP上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。根據(jù)TCP/IP四層模型以及本系統(tǒng)的應(yīng)用場合，設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應(yīng)用層。其中，網(wǎng)絡(luò)接口層主要完成網(wǎng)絡(luò)控制芯片DM9000A的初始化，以及底層數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送，IP層實(shí)現(xiàn)了ARP、RARP、ICMP和IP協(xié)議，傳輸層采用 UDP協(xié)議，應(yīng)用層主要完成采集數(shù)據(jù)的上傳和下位機(jī)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件采用C＃編寫，主要完成對下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)的圖形顯示、分析、存儲，并設(shè)置下位機(jī)的采樣率等參數(shù)。

4 結(jié) 論

本文以TMS320F2812為核心，設(shè)計了基于以太網(wǎng)的蓄電池充放電電流遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，適合對大型倉庫多組蓄電池進(jìn)行遠(yuǎn)程集中管理，積累大量的蓄電池充放電數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

［1］ LEM.Current Transducer LTSR6－NP［EB/OL］.http：//www.lem.com.

［2］ 寧改娣，曾翔君，駱一萍.DSP控制器原理及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［3］ Davicom.DM9000A－17－DS－F01［EB/OL］.http：//www.davicom.com.tw/userfile/24247/DM9000.