劉春成，賀洪江

（1.河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué) 裝備制造學(xué)院，邯鄲 056038）

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能電網(wǎng)高速發(fā)展，作為智能電網(wǎng)的補(bǔ)充，智能一體化電源已成為新一代工礦企業(yè)供配電必然的發(fā)展趨勢(shì)。在控制過程自動(dòng)化及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的同時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸量越來越大，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求也越來越高。本設(shè)計(jì)采用集成CAN控制器的高性能STM32F103VCT6作為采集終端的微處理器，使用高速集成82C250作為CAN收發(fā)器，設(shè)計(jì)一體化電源的數(shù)據(jù)采集終端[1]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由上位機(jī)和采集終端2部分組成。采集終端將采集到的模擬量通過STM32自帶的AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，信號(hào)經(jīng)過STM32處理，上位機(jī)接收到采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)判斷電池組狀態(tài)，超出閾值，系統(tǒng)報(bào)警；正常，繼續(xù)接收。

圖1 監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Monitor system structure diagram

現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)正常時(shí)，供電電路中超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元器件；電網(wǎng)故障時(shí)，超級(jí)電容放電，終端繼續(xù)工作，最長(zhǎng)可維持工作時(shí)間100 s[2]。

采集終端采用CAN總線與上位機(jī)通信。將實(shí)時(shí)交直流電壓、電池溫度等信息傳至上位機(jī)。上位機(jī)可以對(duì)實(shí)時(shí)電壓、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。發(fā)生異常時(shí)，終端將故障電池物理連接切換到備用電池組。

2 終端電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，該采集終端由STM32微控制器、AD控制器、外部電源、接觸器、液晶顯示、撥碼開關(guān)、CAN控制器組成。撥碼開關(guān)對(duì)CAN總線傳輸速率進(jìn)行選擇；液晶屏顯示交直流的實(shí)時(shí)電壓及電池溫度；CAN總線模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信；接觸器控制各電池節(jié)點(diǎn)的通斷。

圖2 采集終端結(jié)構(gòu)Fig.2 Collection terminal structure

2.1 供電電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)電路工作正常時(shí)，處理器采用220 V交流經(jīng)LA5-220S05ACDC電源模塊轉(zhuǎn)換成直流供電。供電電路如圖 3 所示，C1，C41，L1，L2為電流感應(yīng)器，當(dāng)電壓驟降、驟升時(shí)，起抑制作用，防止劇烈波動(dòng)；R100限制C401充電電流；C401作為晃電時(shí)持續(xù)為控制器供電的電源，最長(zhǎng)供電時(shí)間可達(dá)100 s，保證電源切換過程中數(shù)據(jù)采集不中斷。

圖3 供電電路設(shè)計(jì)Fig.3 Power supply circuit design

2.2 采集電路設(shè)計(jì)

目前交直流一體化電源系統(tǒng)中對(duì)蓄電池的管理主要是監(jiān)測(cè)其總電壓及故障報(bào)警。因此當(dāng)監(jiān)控中心收到報(bào)警信號(hào)時(shí)，不能對(duì)哪只電池出現(xiàn)問題、故障原因做出判斷。本系統(tǒng)對(duì)該方面做了改進(jìn)：終端將電池溫度、單體電壓直接通過CAN總線上傳至上位機(jī)，監(jiān)控中心對(duì)所有電池組工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在線精確測(cè)量蓄電池組單蓄電池電壓一直是檢測(cè)的難點(diǎn)，12 V電池組由6塊2 V電池串聯(lián)組成，常規(guī)電阻分壓法、浮動(dòng)地測(cè)量法，都存在精度低、抗感染能力差的缺點(diǎn)。由于測(cè)量時(shí)存在有用的差分信號(hào)同樣又有共模干擾信號(hào)，為了能夠抑制共模信號(hào)的影響，采用差分放大電路處理VADC[3]，根據(jù)運(yùn)放特性，得到輸入輸出信號(hào)的關(guān)系：

蓄電池組由6節(jié)2 V蓄電池串聯(lián)組成，輸出12 V。終端采用差分放大電路對(duì)2 V左右的小信號(hào)進(jìn)行采集。電路中C202可以濾除輸入端干擾信號(hào)；D1，D2保護(hù)運(yùn)放輸入端；由于是差分放大電路，所以電路上下電阻對(duì)稱，即R51=R52，R54=R53；適當(dāng)調(diào)整 R51，R52，R53，R54這4個(gè)電阻的大小就可得到需要的放大倍數(shù)。如圖4所示。

圖4 采集單蓄電池電壓Fig.4 Collection of single battery voltage

終端采用電壓型精密互感器TV1013-2Z將220 V按照線性比例轉(zhuǎn)換到0～3.3 V的電壓信號(hào)識(shí)別范圍，經(jīng)濾波電路和運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨電路，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配后再將調(diào)理后的電壓信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電壓采集電路如圖5所示。

圖5 交流電壓采集原理Fig.5 AC voltage acquisition

2.3 CAN總線硬件設(shè)計(jì)

CAN收發(fā)器采用PCA82C250，電路中采用光電耦合器電氣隔離，防止網(wǎng)絡(luò)因故障燒毀主控芯片。PCA82C250是一款高速CAN收發(fā)器芯片，兼容ISO/DIS 11891標(biāo)準(zhǔn)，具有接口簡(jiǎn)單、體積小、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)。該模塊的主要功能是將邏輯電平轉(zhuǎn)換為差分電平。CAN總線傳輸差分信號(hào)，為防止因電阻匹配問題引起的信號(hào)反射，在網(wǎng)絡(luò)的兩端加上120 Ω的終端電阻。如圖6所示。

圖6 CAN總線電路原理Fig.6 CAN bus circuit principle diagram

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)決定采集終端的穩(wěn)定性、采集精確度以及工作速度。軟件設(shè)計(jì)包括采集終端主程序、CAN協(xié)議。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主控制程序包括AD模塊、中斷模塊、定時(shí)器模塊初始化、故障判斷及采集誤差的處理算法等?？刂破鞲鶕?jù)采集數(shù)據(jù)判斷電池工作狀態(tài)，如圖7所示。

3.2 CAN協(xié)議

CAN協(xié)議已成為工業(yè)控制領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議之一，通過該協(xié)議，可以把不同廠商的設(shè)備組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)集中控制。

標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀2種工作模式，終端采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀格式。幀格式如表1所示。CAN標(biāo)準(zhǔn)幀信息為11個(gè)字節(jié)，包括信息和數(shù)據(jù)2部分，前3個(gè)字節(jié)為信息部分，后8個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)部分[4]。

圖7 軟件流程Fig.7 Flow chart of software system

表1 CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)Tab.1 CAN protocol frame structure

規(guī)定主機(jī)地址為0x01，送達(dá)切斷故障切除指令為0x0b。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)位前4位為0xFF 0xFF 0xFE 0xFF，后3位為0xFF 0xFE 0xFF時(shí)，為命令字。

如主機(jī)需要1號(hào)模塊（地址為0x02）切除控制區(qū)域內(nèi)故障電池連接，則：主機(jī)發(fā)送：0x02 0x08 0x000xFF0xFF0xFE 0xFF0x0b0xFF0xFE 0xFF。此時(shí)終端接收到上位機(jī)發(fā)送的命令字0x0b后切除與故障電池物理連接。故障排除后，終端返回信息0x01 0x08 0x00 0xFF 0xFF 0xFE 0xFF 0x00 0xFF 0xFE 0xFF上位機(jī)接收到終端發(fā)送的信息，0x00表示程序執(zhí)行完畢，故障排除。同時(shí)將接觸器狀態(tài)信息一同送達(dá)上位機(jī)。

通過CAN調(diào)試助手的性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示，數(shù)據(jù)傳輸正確率達(dá)到99.97%，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

表2 通信性能測(cè)試Tab.2 Communication performance test

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中，隨機(jī)抽取了正在充電的2個(gè)電池組，在同等環(huán)境下采用萬用表和高精度溫度計(jì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)作為實(shí)際測(cè)量值。選取的2組電池?cái)?shù)據(jù)與其進(jìn)行對(duì)比，如表3各個(gè)電池電壓和溫度。測(cè)試結(jié)果表明電池電壓的最大測(cè)量誤差為1.59%，溫度的最大測(cè)量誤差為2.23%，其測(cè)量誤差在3%以內(nèi)，屬正常范圍，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

表3 電壓溫度采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Voltage temperature collection and the experimental results

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以STM32為控制核心，解決了傳統(tǒng)的一體化電源數(shù)據(jù)采集終端處理速度慢、測(cè)量精度低、并行處理能力差的問題。通過CAN總線與上位機(jī)組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與抗干擾能力顯著提高。經(jīng)測(cè)試，終端運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、準(zhǔn)確性高、抗干擾能力強(qiáng)，可以投入實(shí)際應(yīng)用。

[1]郭永鋒.CAN總線與RS-485總線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)比[J].中國(guó)新通信，2012（15）：47-48.

[2]王楠楠，劉春英.基于STM32的低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2014，29（7）：69-72.

[3]林立南.一種新型電池組單體電池電壓檢測(cè)方法[J].傳感器世界，2010，16（10）：18-20.

[4]張猛，姚列英，王英翹.基于CAN總線技術(shù)的PSM電源遠(yuǎn)程控制通信系統(tǒng)[J].核聚變與等離子體物理，2015（1）：24-29.