趙 勝，李 圍，趙 權

應用研究

基于RS485通信的深海電池組數據監(jiān)測系統(tǒng)設計

趙 勝，李 圍，趙 權

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

針對深海鋰電池組在充放電過程中的數據監(jiān)測的問題，設計了基于Labview圖形化編程平臺的監(jiān)測系統(tǒng)，通過單片機與上位機的485串行通信實現了對電池組電壓、電流和溫度數據的采集、監(jiān)控以及報警功能。

Labview 數據采集 RS-485串行通信 實時監(jiān)測

0 引言

現在，電池在各個領域和行業(yè)中廣泛的使用，船舶，航空，以及交通領域等等[1]，對我們的生活產生了深刻的影響，為了保證電池使用的安全與穩(wěn)定，對電池工作狀態(tài)下的監(jiān)測和早期的預警是非常重要的[2]，對電池數據的監(jiān)測也必須具有時效性、準確性、持續(xù)性等特點[3]，同時，也要具備對數據的存儲，故障報警的反應，數據查詢分析和統(tǒng)計等功能。

為了對電池充放電的過程進行有效的管理，利用Labview測控軟件開發(fā)設計電池組數據采集與監(jiān)測系統(tǒng)，具有數據采集和波形顯示、故障報警、數據查詢和存儲等功能。Labview是圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，采用數據流的編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數據流向決定了VI及函數的執(zhí)行順序[4]。Labview集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能[5]。Labview編程簡單方便，界面形象，生動，易于監(jiān)測[6]。利用Labview開發(fā)的上位機，可以實現與單片機的通信，接收電池組各項數據并顯示出來，簡單方便。

1 系統(tǒng)總體結構設計

鋰離子電池組在充放電過程中利用電源管理系統(tǒng)完成對電壓、電流和溫度等各項參數的采集，使用充放電機給電池充電、放電，利用開關控制調節(jié)充電和放電的狀態(tài)。在充放電過程中，觀察電壓，電流以及溫度的實時變化。利用電源管理系統(tǒng)采集電池工作狀態(tài)下的電流、電壓和溫度信號，通過RS-485串口通訊端將信息傳遞給上位機，然后會在上位機上顯示電池組各個參數的數值以及波形，方便隨時的監(jiān)測。該數據監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構

利用充放電機對電池組進行充放電循環(huán)試驗，充放電可以提供穩(wěn)定的恒流源，通過開關面板可以調節(jié)充放電的模式，通過RS485接口與上位機進行通信。

2 硬件結構設計

2.1 電壓采集

電池電壓的采集使用LTC6804-2芯片，可快速高效的測量12個串接電池的電壓，總誤差低于1.2 mv，LTC6804-2內部的ADC采集完成后，通過SPI總線通訊將數據傳送給MCU。LTC6804-2芯片的電壓檢測功能，很大程度上簡化了電池管理的設計方案。單節(jié)鋰電池最高電壓不高于3.65 V，電池端電壓信號可以直接接入電池管理芯片通信端口，由此可以得到電壓的值。

2.2 電流采集

電池組的工作電流為放電過程回路中的電流，使用電流檢測板采集電路中的電流值。

霍爾電流傳感器的型號眾多，量程范圍寬泛，精度高、靈敏度高，抗干擾能力強。利用電流傳感器的霍爾效應檢測電路中的磁場強度，然后通過磁場強度計算電路中的電流值。

2.3 溫度采集

電池溫度的測量通過內部的溫度傳感器將測量結果存放在溫度寄存器中，再經過單總線輸入輸出端口與單片機端口完成串行數據傳送。

利用電源管理系統(tǒng)采集電壓、溫度、電流數據，使用電子開關控制總電路及充放電過程。上位機程序監(jiān)測RS485串口通訊端輸出，通過電子開關調節(jié)電池充電和放電過程之間的轉換。

3 軟件結構設計

3.1 通訊模式設置

電源管理系統(tǒng)與上位機采用485串口通信模式。在異步串行通信方式中，通信的發(fā)送與接收設備使用各自時鐘控制數據的發(fā)送和接收過程，該方式實現起來簡單方便。具體通信流程如圖2所示。

因此，對電池的電流和電壓數據的采集利用串行通訊模式進行，采用RS-485異步串行通信標準實現單片機和上位機之間的數據通信。RS-485采用半雙工工作方式，支持多點數據通信，平衡發(fā)送和差分接收，可以抑制共模干擾，使通信保持穩(wěn)定。

圖2 電池數據采集通信流程

3.2 上位機軟件設計

利用Labview平臺開發(fā)上位機，Labview具有PCI，PXI，RS-232/485，USB等各種儀器通訊總線標準的所有功能函數，以及對鋰離子電池的充放電過程中電壓、電流、溫度數據的變化進行實時監(jiān)測的功能。將界面上的數據顯示控件、表格以及波形圖合理的分布在前面板上，設計出的上位機前面板如圖3所示。

圖3 基于Labview平臺上位機前面板

上位機分為前面板和程序框圖，前面板主要分為六個子模塊：電池模塊數據界面、電壓數據界面、溫度數據界面、保護參數界面、程序更新界面、數據查詢界面。電池模塊數據界面列出了通訊端口，總電壓及支路電壓、總電流及支路電流、溫度值顯示框，波形圖表，上限報警燈等顯示控件；電壓數據界面列出了各支路單體電壓值顯示控件，以及最高電壓序號，最低電壓序號顯示控件；溫度數據界面列出了各支路單體溫度值顯示控件，以及最高溫度序號和最低溫度序號；保護參數界面列出了支路過流，支路過充，過溫，欠溫，單體電壓的保護值，可以設定和讀取保護參數；程序更新界面實現了讀取特定文件，并向下位機發(fā)送指令更新程序狀態(tài)；數據查詢界面可以查詢不同時間段的電池組的數據，并將查詢結果導出到excel中，以上就是上位機六個子模塊完成的功能。

Labview程序框圖面板中，主要由選擇打開串口，上位機向下位機發(fā)送請求指令，上位機獲取電壓值、電流值、溫度值和波形值等部分，關閉與串口的會話部分構成。

首先打開串口會話通過VISA資源名稱設置串口號為COM，VISA serial屬性節(jié)點對串口初始化的波特率為19200bit/s，數據位為8，無校驗位，停止位為1。上位機收到下位機傳送的數據包，并將數據信息解析出來，對應每一個單體的電壓、溫度值，以及充放電過程中的支路中的電流值。

上位機向下位機發(fā)送請求指令，在一個while循環(huán)中進行，將請求指令寫入VISA寫入函數的寫入緩沖區(qū)。程序中“等待下一個整數倍毫秒”函數控制循環(huán)速度，“停止”節(jié)點退出整個循環(huán)。

上位機獲取數據值通過VISA Read節(jié)點讀取數據包，將數據包里面的有效信息通過截取字符串函數截取出來，然后將字符串轉換為字節(jié)數組，字節(jié)數組轉換簇函數，最后將數據信息按字節(jié)數解析，單體電壓信息由16位組成，占用兩個字節(jié)，電流信息由16位組成，占用兩個字節(jié)，溫度數據由8位組成，占用一個字節(jié)，電池鼓脹信息占用一個bit，以及狀態(tài)信息包含循環(huán)次數、剩余容量、工作狀態(tài)、故障信息各占一個字節(jié)。程序中對單體電壓、電流和溫度的值都設置了最大值，單體電壓值超出最大電壓值3.6V，低于2.65V報警燈都會亮起，電流值大于100A，溫度超過80℃同樣也會報警。

程序實現了IAP程序更新，調試上位機向BCU板發(fā)送程序更新指令，BCU板回復程序更新準備好應答，上位機收到應答后開始發(fā)送程序數據，間隔10 ms。BCU接收程序數據后進行應答，反饋更新狀態(tài)。

管理系統(tǒng)初始化會清除所有故障記錄數據，復位容量值，初始化設定所有保護參數。調試上位機向BCU板發(fā)送管理系統(tǒng)初始化指令，BCU板完成初始化后回復指令。上位機后面板部分程序框圖如圖4所示。

關閉與串口的會話部分，當程序運行結束時，會清空緩沖區(qū)，在條件結構中，條件判斷為真時，使用VISA Close節(jié)點關閉串口會話，單片機與上位機通信結束。

圖4 上位機后面板部分程序框圖

3.3 結果及分析

經測試，該深海電池組數據監(jiān)測系統(tǒng)可以快速、準確的監(jiān)控電池組實時電壓，溫度，電流等數據及報警信息，對電池組全過程的運行狀態(tài)能夠精確記錄，方便操作人員對電池組系統(tǒng)的狀態(tài)進行分析，以及突發(fā)報警狀況大的及時響應。

4 結束語

本文主要為了研究二次鋰離子電池組在充電放電的過程中各項數據的實時變化，采用Labview圖形化編程平臺設計了上位機，界面簡潔直觀，開發(fā)效率高，使用方便。通過單片機與上位機的RS-485串行通信實現了對電池組電壓、電流和溫度數據的采集，監(jiān)控和報警功能，同時數據也以圖形和數值的形式顯示出來。

[1] 湯佳明, 安偉. 基于LABVIEW的上位機串口通信程序設計 [J]. 電子設計工程, 2018, 26(11): 86-90.

[2] 魏興亞, 魏寧嫻, 趙佩. 基于LabVIEW的鋰電池SOC估計與參數監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 應用能源技術, 2016(2016年01): 45-48.

[3] 李夢, 楊金月. 基于LabVIEW開發(fā)平臺的單片機串口通訊系統(tǒng)設計[J]. 赤峰學院學報（自然科學版）, 2017, 33(23): 37-39.

[4] 萬松峰, 郭聯金. 基于LabVIEW和ARM的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 煤礦機械, 2016, 37(8): 24-26.

[5] 劉威. 圖形化語言LABVIEW應用于數據采集[J]. 電子技術與軟件工程, 2017(13): 249-249.

[6] 段文勇, 李燕. 基于LabVIEW的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 科技視界, 2017(4): 181-181.

Design of data monitoring system on lithium-ion battery based on RS485

Zhao Sheng, Li Wei, Zhao Quan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2022）10-0084-03

2021-09-30

趙勝（1988-），男，工程師。研究方向：電源管理系統(tǒng)及設計開發(fā)。E-mail：550736090@qq.com