葉益陽 阮立 徐恒 李偉權(quán) 江曉紅 葛凱杰

（1-臺州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測研究院 浙江 臺州 318000 2-金浪科技有限公司3-浙江方圓檢測集團股份有限公司）

引 言

在海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，傳感器設(shè)備電池供電的穩(wěn)定性是一個重要的指標(biāo)，它將直接影響到傳感器能否正常工作，通過在線監(jiān)測電池參數(shù)，可以及時了解電池的工作狀態(tài)、，具有速度快、測量方便等特點。在眾多的參數(shù)中，最直接的一個參數(shù)是電壓檢測，也是最常采用的檢測方法[1]。CAN總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，它具有擴充性好、可靠性高、多主結(jié)構(gòu)等特點，通信距離達到10 km，傳輸速率最高到1 Mbps。支持分布式控制、實時控制與遠(yuǎn)程控制[2]。耦合數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)為一條簡易的包塑纜，具有安全性高、裝卸簡便、允許節(jié)點損壞的特點，有助于垂直剖面的多種傳感器任意位置、長距離、實時的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)長距離的水下組網(wǎng)通信，它的優(yōu)勢是體積小、功耗低、成本低。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

水下電池電量監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)、耦合鏈通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成。傳感器節(jié)點之間組網(wǎng)通信采用雙路CAN總線可靠傳輸方式。電池電量監(jiān)測系統(tǒng)為傳感器設(shè)備提供電池檢測接口，采集傳感器的電池電量信號，也通過CAN總線接入傳感器網(wǎng)絡(luò)。水下多傳感器節(jié)點將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給傳感器節(jié)點1進行存儲，作為匯聚接收器，然后通過錨系耦合通信鏈，采用耦合數(shù)據(jù)通信（ICC）[3]方式，實現(xiàn)匯聚接收器與浮標(biāo)數(shù)據(jù)平臺之間的實時通信，最后浮標(biāo)數(shù)據(jù)平臺通過衛(wèi)星通信方式將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給陸地監(jiān)控中心。

圖1 電池電量監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

微控制器選用ST公司推出的STM32互連型芯片STM32F107[4]，此芯片集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，它自帶兩個12位AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），擁有兩路CAN2.0接口，在性能與功能方面完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

電池電量監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部框圖如圖2所示，主要由電壓采集，電壓處理、數(shù)據(jù)傳輸3部分組成。系統(tǒng)提供16路電壓采集接口，各傳感器電池兩端可依次連到每個電壓采集電路接口。采集到的電壓信號接至16路選1模擬開關(guān)的輸入通道，MCU通過4路地址譯碼端口控制通道的開閉，被選通的一路電壓信號經(jīng)模擬開關(guān)的輸出端口進入MCU，MCU的自帶ADC處理該信號并送入CAN接口，然后，CAN總線收發(fā)器對其進行電平轉(zhuǎn)換和差動收發(fā)，從而信號即可通過CAN總線接入傳感器網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。

1.1 電壓采集電路

系統(tǒng)設(shè)計了16路的電壓采集電路，可分別同時對16路的電池電壓進行采集。電壓信號的采集采用雙電阻分壓的方法，將實際電壓經(jīng)過電阻分壓轉(zhuǎn)化到芯片的測量電壓范圍內(nèi)，該模式可通過簡單電路實現(xiàn)，具備較低成本、較長壽命，不過存在難以消除的累積誤差。而差分放大器可以克服共模信號的干擾，而只對差分信號進行處理，故通過差分運放將電池兩端引出[5]。該方案如圖3所示，結(jié)合運算放大器的特性，得到電路的輸出信號與輸入信號關(guān)系為：

圖2 電池電量監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部框圖

這里取 R1=R2=10 kΩ，R3=R4=5 kΩ，R1、R2、R3、R4均為1%的精密電阻，因此有：

由于差模信號V+V-可正可負(fù)，所以必須提高Vref以便進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。這里取Vref=3.3V。經(jīng)過差分放大器之后，電壓信號才進行電阻分壓，由于STM32F107控制器的基準(zhǔn)電壓采用+3.3 V，故此時的電壓信號輸入范圍須小于或等于3.3 V。如圖4所示。

圖3 電壓采集電路圖

這里取 R5=1 kΩ，R6=200Ω，得 Vad≤19.8 V，又結(jié)合公式2可知，電池電壓V+-V-≤33 V。R5和R6為分壓電阻，均選用精度為1%的金屬膜電阻。

1.2 電壓處理電路

系統(tǒng)利用模擬開關(guān)將采集的每個電池電壓引出，就可以順序選通16路電壓進行處理，模擬開關(guān)芯片選擇德州儀器的CD4067。CD4067是一種數(shù)控模擬開關(guān)，通過內(nèi)部地址譯碼，截止漏電流低、導(dǎo)通阻抗低。CD4067是16路選通開關(guān)，具備一個控制端口C和四個輸入地址端口A0～A3，通過輸入的二進制組合選通任意一路開關(guān)，而當(dāng)C端口置1時，通道全部關(guān)閉。這里將控制端C固定接地，保持芯片使能。

如圖4所示，16路的采集電壓分別接入CD4067的16個輸入/輸出通道，4路地址譯碼端口分別與STM32F107控制器的4個I/O口PC0～PC3相連，CD4067的I/O端口后接3.3 V的穩(wěn)壓二極管，保證選通后的采集電壓不會超過3.3 V，同時后續(xù)的電壓跟隨器提高了電路的輸入阻抗，降低了輸出阻抗，可極大提高后續(xù)電路的帶載能力，也對前后級電路起到隔離作用。STM32F107自帶A/D轉(zhuǎn)換器，精度為12位，對應(yīng)數(shù)字范圍為0～4 096。STM32控制器有個很大的優(yōu)點，其A/D轉(zhuǎn)換輸入引腳可以是任意GPIO，這里將PA0作為電壓量的ADC輸入端。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸電路

系統(tǒng)采用CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸，CAN總線具體連接如圖5所示，總線收發(fā)器采用芯片SN65HVD230D,實現(xiàn)物理總線與CAN控制器之間的差動收發(fā)和電平轉(zhuǎn)換。由圖5可以看出，STM32的CAN接口輸出端口(即PB6)與SN65HVD230D的數(shù)據(jù)輸入端D相連，從而把CAN節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸給CAN網(wǎng)絡(luò)；CAN接口接收端口（即PB5）接到SN65HVD230D的數(shù)據(jù)輸出端R，完成數(shù)據(jù)的接收。這里將SN65HVD230D方式選擇端口Rs控制引腳接地，選擇工作的模式。這樣就可將轉(zhuǎn)換與處理過的數(shù)字電壓傳輸?shù)紺AN總線上。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括主控制器的軟件設(shè)計和上位機的監(jiān)控軟件設(shè)計，其中主控制器軟件設(shè)計主要包括電壓處理軟件和總線傳輸軟件。主控制器的程序采用嵌入式C語言編寫，上位機監(jiān)控軟件采用VC++語言編寫。

2.1 主控制器軟件設(shè)計

圖4 電壓處理電路

圖5 CAN總線接口電路

主控制器軟件流程如圖6所示。首先，系統(tǒng)上電復(fù)位，對各個模塊初始化，主控制器通過寫入模擬開關(guān)的地址譯碼端，選通CD4067的通道1，使該通道上的電壓信號進入主控制器，然后將采集來的模擬電壓進行A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字電壓信號進行處理，然后對數(shù)據(jù)進行打包，接著將數(shù)據(jù)送至CAN總線。最后，將通道號加1，判斷是否為17，即是否超過了16個通道的范圍。若是，則將通道號重新初始化為1，并選通通道1進行相同的采集與處理；若不是，則選通該通道進行相同的采集與處理。經(jīng)測試，開通下一通道需要加延時30 ms，以便上位機軟件進行實時的數(shù)據(jù)刷新與適時停留。這樣就輪流選通了模擬開關(guān)的16個通道，完成對每一路電池電壓信號的采集與處理。

圖6 主控制器軟件流程圖

2.1.1 電壓處理軟件設(shè)計

電壓處理部分主要包括對模擬電壓的A/D轉(zhuǎn)換與對數(shù)字電壓的處理。模擬電壓的A/D轉(zhuǎn)換主要完成對主控制器ADC的初始化配置，模擬量輸入GPIO的配置及開始轉(zhuǎn)換。

AD轉(zhuǎn)換完成后需要處理已得到的數(shù)字電壓，因電壓量信號變化較緩，軟件考慮選用平均濾波算法。對N個數(shù)據(jù)進行連續(xù)采樣，并將A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字電壓進行累加，接著對N個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值進行計算。經(jīng)過反復(fù)試驗，N取20時可實現(xiàn)理想的效果。該算法可以排除因脈沖干擾所導(dǎo)致的采樣值偏差，屏蔽偶發(fā)的脈沖性干擾影響。

2.1.2 總線傳輸軟件設(shè)計

總線傳輸部分主要是完成將通道號和處理過的數(shù)字電壓傳輸?shù)紺AN總線上；總線傳輸軟件設(shè)計主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)處理與打包和發(fā)送程序3個部分組成。系統(tǒng)初始化的作用是初始化全部的報文對象，主要包括單個消息的仲裁ID，對單個消息是接收報文還是發(fā)送報文的定義，本消息的消息號和報文通信的數(shù)據(jù)長度。數(shù)據(jù)處理與打包的對象是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和處理的數(shù)字電壓，先將十進制的數(shù)字電壓的千位、百位、十位、個位分別拆分出來，選取數(shù)據(jù)長度為5，其中發(fā)送郵箱的數(shù)據(jù)數(shù)組的第0字節(jié)用來存儲當(dāng)前數(shù)字電壓所對應(yīng)的模擬開關(guān)通道號，剩下4個字節(jié)則用來存儲已經(jīng)拆分出來的千位、百位、十位、個位數(shù)，這樣就完成了數(shù)據(jù)發(fā)送前的所有準(zhǔn)備工作了；發(fā)送程序通過CAN控制器自主實現(xiàn)，完成數(shù)據(jù)采集后將發(fā)送緩沖器清空，將待發(fā)送的報文寫入CAN模塊發(fā)送緩沖器，并開啟發(fā)送指令，報文隨之發(fā)送出去。

2.2 監(jiān)控軟件設(shè)計

監(jiān)控界面使用Visual C++語言[6]進行設(shè)計，主要任務(wù)是接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)顯示與存儲，接收數(shù)據(jù)主要完成對水下打包傳輸過來的通道號與處理過的數(shù)字電壓信號的接收；處理數(shù)據(jù)則是在打包發(fā)送過來的數(shù)組中，將通道號與數(shù)字電壓的千位、百位、十位、個位區(qū)分開來并分別處理，首先將數(shù)字電壓的千位、百位、十位、個位重新組合為0～4 096的一個4位數(shù)字，這樣就重新得到了經(jīng)濾波處理的數(shù)字電壓值Vd，然后將

Vd轉(zhuǎn)換為進入MCU前的模擬電壓值Va：

接著根據(jù)電路，將Va換算回電池兩端的電壓，由公式3得：

又由公式2得：

又由公式4得：

這樣就得到了由數(shù)字電壓直接轉(zhuǎn)換回電池電壓的公式。這里電池電壓取小數(shù)點后4位有效數(shù)字。

電池組各通道的備注名稱和設(shè)定數(shù)據(jù)顯示與存儲是通過上位機的監(jiān)控界面完成的，監(jiān)控界面如圖7所示，主要包括串口通信參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲設(shè)置和接收區(qū)電壓顯示。打開串口后，可每隔30 ms在各通道對應(yīng)的文本框里顯示相應(yīng)傳感器的電池電壓值。開始存儲后，可存儲各通道的歷史電壓數(shù)據(jù)以供查閱。其中，雙擊通道號可以更改各通道的備注名稱。

圖7 上位機監(jiān)控界面

3 實驗結(jié)果與分析

在水下運用本系統(tǒng)，由于傳感器的供電電壓為12～24 V，故抽取12～24 V電壓進行測量，每隔4 V取一個測量點，每個測試點記錄上位機顯示電壓的8個數(shù)據(jù)，如圖8所示。從圖中可以看出，最大絕對誤差基本上可以保持在0.17 V以內(nèi)，絕對誤差與相對誤差都隨著測量電壓的升高而有所增加，這是由于系統(tǒng)在硬件和軟件方面的累積誤差造成的，是允許的，其中最大相對誤差小于0.7%，完全可以滿足實際應(yīng)用需求。

圖8 傳感器供電電壓測試結(jié)果

4 結(jié)論

本系統(tǒng)選用STM32F107單片機作為控制核心，利用CAN總線組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，克服了水聲通信價格昂貴速率低的缺陷，耦合鏈通信系統(tǒng)體積小，功耗小，也減少了系統(tǒng)成本，水下組網(wǎng)方便，非常適合海洋環(huán)境的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)適合長距離傳輸，利于遠(yuǎn)程操作，極大地擴充了電池檢測技術(shù)的數(shù)量和范圍。本文中的系統(tǒng)經(jīng)反復(fù)試驗，可以實時掌握電池電壓參數(shù)，并達到了預(yù)期的精度要求，滿足了實用性與可靠性的指標(biāo)，可廣泛應(yīng)用于水下設(shè)備的電池電壓監(jiān)測領(lǐng)域。