基于ARM9與LEM傳感器的蓄電池在線監(jiān)測硬件平臺的設計

1 概述

　　蓄電池作為備用電源在供電系統(tǒng)中往往起著極其重要的作用，在交流電失電或其它事故狀態(tài)下蓄電池組一旦出現(xiàn)問題，供電系統(tǒng)將面臨癱瘓，造成設備停運及其它重大運行事故。近年隨著閥控式密封鉛酸蓄電池（以下簡稱閥控蓄電池）的廣泛使用，加之使用環(huán)境及條件欠佳，因蓄電池提前失效而引發(fā)的事故時有發(fā)生。閥控蓄電池由于特殊的閥控式密封結(jié)構(gòu)，使得我們無法準確掌握蓄電池的健康狀況，其“免維護”的這一優(yōu)點，反而成為電池運行管理中的缺點和難點，同時極其容易誤導用戶。在提高電池性能，減少維護工作量的同時，如何快捷有效地檢測出早期失效電池并預測蓄電池性能變化趨勢已成為電池運行管理的新課題。目前除了核對性放電、電壓巡檢等常規(guī)維護檢測手段外，隨著技術(shù)的發(fā)展一些新的檢測手段孕育而生，蓄電池在線監(jiān)測這一新檢測技術(shù)開始逐步得到運用[1]。

　　北京萊姆電子是瑞士萊姆集團（LEM）的全資子公司，這款由瑞士研發(fā)、北京生產(chǎn)的Sentinel模塊是專門為應用于蓄電池在線監(jiān)測而量身定做的蓄電池傳感器。該傳感器只有火柴盒大小，每只模塊監(jiān)測一塊蓄電池，模塊采用四線制設計，通過與蓄電池的正負極相連實現(xiàn)供電和測量，然后通過RJ11接口（電話線接口）實現(xiàn)至多254個模塊的相連，經(jīng)由開放的串口協(xié)議通訊實現(xiàn)對整個蓄電池組的監(jiān)測。該傳感器可以直接測量單體蓄電池的阻抗、電壓和表面溫度（模塊貼在電池表面），連線、安裝方便，同時模塊的質(zhì)保期為五年，完全跨越蓄電池的失效周期，因此非常便于構(gòu)建蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2 蓄電池在線監(jiān)測硬件平臺的構(gòu)成

　　蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)一方面需要完成在工業(yè)現(xiàn)場如變電站，數(shù)據(jù)中心等場合蓄電池參數(shù)的人機交互，方便用戶在現(xiàn)場時觀測蓄電池組整體電壓，電流以及各單體電池的阻抗，電壓和溫度；另一方面需要提供網(wǎng)絡接口，使用戶在遠端如中央控制室能夠及時了解現(xiàn)場的情況；最后需增加GSM接口，一旦發(fā)生故障，可以用發(fā)短信或者打電話的方式通知到值班人員。因此有必要設計一臺現(xiàn)場監(jiān)測主機完成以上功能，與Sentinel模塊相配實現(xiàn)整個蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，如下圖：

　　值得說明的是：

　　1）由上圖可見，鑒于sentinel模塊的獨特設計，可以直接對蓄電池阻抗進行測試，因此系統(tǒng)毋須安裝單獨的放電模塊。

　　2）由于sentinel模塊需要通過地址來識別，該地址是8位的，以上連接最多實現(xiàn)254塊蓄電池的連接，

　　3）理論上圖中用虛線指示的sbus通訊線是不需要連接的，但是考慮到工業(yè)現(xiàn)場的復雜性，如兩模塊之間的通訊線一旦被破壞，則某些模塊將不在線路中，因此出于冗余設計的考慮，在現(xiàn)場允許的情況下，盡量布置該線纜。

　　4）圖中的電流變送器一般用于主機測量充放電電流，感知蓄電池的狀態(tài)，是非常必要的，考慮現(xiàn)場施工方便，盡量使用外置的電流變送器，而不將該變送器布置在主機內(nèi)，否則電池充放電線纜（往往是很粗的線纜）需要繞經(jīng)主機，不經(jīng)濟也不安全。

　　5）使用GSM天線的時候，要實地測量當?shù)氐男盘枏姸?，某些機房信號屏蔽嚴重，此時可以考慮將天線移到室外，以實現(xiàn)信號的通暢發(fā)送。

　　由以上的分析，對現(xiàn)場監(jiān)控提出的要求至少有帶有人機交互功能，網(wǎng)絡功能，GSM發(fā)射功能，sbus總線通訊的功能以及A/D轉(zhuǎn)換接口。

3 基于ARM9的蓄電池在線監(jiān)測主機

　　主機實質(zhì)上是一個帶有人機交互界面的嵌入式系統(tǒng)。為了完成嵌入式平臺的構(gòu)建，方便實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議的通訊，擬采用ARM9+操作系統(tǒng)的方式，考慮到工業(yè)級的工作溫度以及方便帶液晶接口，選擇ATMEL公司的AT91SAM9261作為系統(tǒng)的主控CPU。

　　為了調(diào)試方便采用核心板+擴展板的方式，核心板上布置一個ARM9的最小系統(tǒng)，將所有接口皆引出，而功能部分則布置在擴展板上。

　　3.1 核心板部分設計

　　核心板的設計框圖如下：

　　說明：

　　1）由于AT91SAM9261采用Dataflash的啟動的方式只能工作在溫度高于0℃低于70℃的范圍，一旦溫度低于0℃將無法啟動。為了解決這個問題，只能使ARM采用外部啟動即NOR FLASH啟動的方式，因此需要選擇啟動模式為外部啟動（BMS=0），以達到工業(yè)現(xiàn)場的溫度要求。

　　2）Norflash存儲器芯片選擇AMD公司的AM29LV160DB，其容量為4M*16bit，用于存儲BOOT程序，小型操作系統(tǒng)及小型應用程序。設計時采用字對齊方式，即芯片的A0地址線對應ARM芯片的A1地址線。另外由于ATMEL官方提供的SAM-BA燒寫程序僅支持Dataflash和Nandflash，因此有必要修改SAM-BA的腳本文件以實現(xiàn)對Norflash的燒寫

　　3）Nandflash存儲器芯片選擇三星公司的K9F1208U0B，其存儲容量為存儲容量：64M*16bit，采用wince或者linux的操作系統(tǒng)時使用該芯片中存儲操作系統(tǒng)和應用程序；如使用ucos之類的小型操作系統(tǒng)時，則該芯片可以省略不焊接，系統(tǒng)與BOOT程序存儲在Norflash即可。

　　4）Sdram芯片采用MT48LC16M16A2TG-75IT:D，每片容量為16M*16bit，本系統(tǒng)中采用兩片SDRAM構(gòu)成32數(shù)據(jù)總線。由于Sdram芯片為整個嵌入式平臺的內(nèi)存，需要頻繁地與CPU進行數(shù)據(jù)交互，為了實現(xiàn)較好的信號完整性，在靠近ARM的地址和控制總線上串聯(lián)22歐姆平衡電阻吸收信號反射。當采用小型操作系統(tǒng)時候，操作系統(tǒng)可在ARM內(nèi)部的SRAM中運行，Sdram可以省略不焊接。

　　5）擴展接口將ARM芯片的所有可用接口皆擴展出來，用于和擴展板連接。

　　6）由于信號密集，同時需要將接口全部引出并保證良好的電磁兼容性效果，PCB采用六層板PCB設計方式，采用信號層——地層——信號層——電源層——地層——信號層的方式。

　　為了保證高頻工作的效果，設計時考慮將兩片SDRAM的各總線設計為等長，同時采用兩面布局和蛇形走線等技術(shù)手段。

　　3.2 擴展板部分設計

　　擴展板的設計框圖如下：

　　說明：

　　1）SPI flash芯片用于存儲蓄電池傳感器采得的數(shù)據(jù)。此處將芯片的寫保護腳使用ARM的一個I/O口管理起來，以防上電或者掉電時修改片內(nèi)的數(shù)據(jù)。

　　2）GSM模塊采用西門子公司的TC35i模塊，與擴展接口（連向ARM新片）之間通過串口進行通訊，另外使用ARM的一個I/O口控制IGT管腳進行模塊的激活。為了保證模塊與SIM卡之間通訊正常，他們之間的走線距離要盡量短。

　　3）網(wǎng)卡接口芯片采用DM9000，數(shù)據(jù)包通過它傳送至以太網(wǎng)直至上位機軟件。同時使用網(wǎng)絡協(xié)議可以實現(xiàn)遠程固件升級，保證主機運行最新的應用軟件。

　　4）Sbus是lem公司自身的協(xié)議，該協(xié)議可以轉(zhuǎn)換為串口協(xié)議，其轉(zhuǎn)換電路是開放的，將該電路設計在擴展板上，實現(xiàn)主控板與sentinel模塊的通訊。

　　5）由于AT91SAM9261提供液晶數(shù)據(jù)接口，因此可以直接與LCD實現(xiàn)連接。

　　6）觸摸屏接口芯片采用專用芯片ADS7843完成。

4 整機聯(lián)調(diào)

　　我們在變電站對該系統(tǒng)進行了實驗，使用2組蓄電池，每組分別有54節(jié)2v 300Ah的蓄電池，如下圖：

　　編寫測試程序在系統(tǒng)內(nèi)運行，每隔半小時對各蓄電池模塊進行一次取數(shù)，然后將信息通過調(diào)試串口打印出來。下面為某次取數(shù)得到的結(jié)果：

　　# 1 battery : 2.28v 24.29 404.9 uohm # 2 battery : 2.24v 24.08 362.1 uohm

　　# 3 battery : 2.22v 24.29 426.1 uohm # 4 battery : 2.29v 24.29 350.1 uohm

　　# 5 battery : 2.25v 24.29 381.8 uohm # 6 battery : 2.28v 24.29 392.6 uohm

　　# 7 battery : 2.28v 24.29 359.0 uohm # 8 battery : 2.31v 24.29 373.2 uohm

　　以上每個電池的參數(shù)分別為電壓、溫度、阻抗。在未來的實際應用中，通過對這些參數(shù)的綜合分析，可以得知每只蓄電池的健康狀況；同時本實驗也驗證了該平臺可以應用于蓄電池在線監(jiān)測。

　　另外，對該平臺的顯示功能，網(wǎng)絡通訊功能均做了基本測試，表現(xiàn)完全正常。進一步開發(fā)上層管理軟件，利用該硬件平臺構(gòu)建一套完整的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)是后續(xù)工作的重點。

5 展望

　　基于ARM9與LEM傳感器的蓄電池在線監(jiān)測硬件平臺不僅可以用于對蓄電池失效模型和監(jiān)測算法甚至電池活化技術(shù)的研究，另外如果配套監(jiān)測軟件可以應用于各種需要監(jiān)測蓄電池的實際場合，如電力、通信、石油、化工、鐵路、煤炭等行業(yè)的直流電源系統(tǒng)以及UPS系統(tǒng)的蓄電池在線監(jiān)測，從而真正給蓄電池這一薄弱環(huán)節(jié)上一道保險，為我國的安全用電事業(yè)保駕護航。