分布式蓄電池智能節(jié)點設(shè)計

電子設(shè)計應(yīng)用2004年第9期

摘    要：本文論述了基于CAN總線的蓄電池智能監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)，包括智能監(jiān)控模塊的軟硬件結(jié)構(gòu)，獨立CAN控制器SJA1000的應(yīng)用，數(shù)字式單總線溫度檢測單元，給出了串接電池電壓檢測的一種可行方案。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；CAN總線；SJA1000；DS18S20
引言
一般電源設(shè)備只能對電池組的整體輸出電壓和電流進(jìn)行測量，對于單塊電池不能進(jìn)行在線測量。而電池組的失效又往往是從單塊電池失效開始的一種惡性循環(huán)，尤其對于使用時間較長但又不超過使用期限的電池組，單純依靠維護(hù)人員的日常維護(hù)很難發(fā)現(xiàn)問題。因此，對于單塊電池的運行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)問題就變得極為重要。
單塊電池的損壞首先表現(xiàn)在端電壓在充電時過高而在放電時又迅速下降，電池體溫升高，負(fù)載能力下降等異?，F(xiàn)象?？梢酝ㄟ^對電池的端電壓、體溫等參數(shù)的在線測量及時發(fā)現(xiàn)故障電池。
早期的蓄電池在線監(jiān)控采用集中監(jiān)控方法，或是基于RS-232(或RS-485)總線的分散采集、集中監(jiān)控的分布式測量方法。這些方法只能采用主從式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以輪詢方式收集數(shù)據(jù)。這是因為RS-232和RS-485總線只是一種純粹的物理接口，不具有主動協(xié)調(diào)能力。CAN總線是一種多主機(jī)控制局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多主節(jié)點、無損仲裁、高可靠性及擴(kuò)充性能好等特點。下面給出一種基于CAN總線的分布式蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 分布式蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)功能示意圖

圖2智能監(jiān)控節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

圖3 CAN接口模塊原理圖

圖4  DS1820與單片機(jī)連接示意圖

系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由上位機(jī)、RS-232-CAN接口和智能節(jié)點組成，如圖1所示。
上位機(jī)由普通微機(jī)組成，接收各節(jié)點的監(jiān)控數(shù)據(jù)，建立電池組運行數(shù)據(jù)庫，對采集到的電池數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(如記錄電池的履歷、采集數(shù)據(jù)的時間等)并以表格或圖形的方式輸出顯示，對整個系統(tǒng)的運行狀況進(jìn)行管理等。
RS-232-CAN接口為CAN總線與上位機(jī)的接口，完成CAN總線數(shù)據(jù)與RS-232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對智能節(jié)點來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行緩存，對告警信號進(jìn)行告警以通知維護(hù)人員進(jìn)行處理。
智能節(jié)點為智能型的監(jiān)控模塊，實現(xiàn)對電池組內(nèi)(總電壓48V，單塊電壓12V或2V)的單塊電池端電壓、體溫、環(huán)境溫度進(jìn)行測量。若超出工作范圍則進(jìn)行告警，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲，定期上報監(jiān)控數(shù)據(jù)。超限告警信號及時上報，并可接受上位機(jī)的輪詢。下面僅就智能節(jié)點給出詳細(xì)的設(shè)計方案。

硬件組成
智能監(jiān)控節(jié)點以89C52為控制器，外圍模塊包括CAN接口模塊、溫度測量模塊、電壓測量模塊、告警模塊、節(jié)點地址選擇和可選的存儲器模塊等，如圖2所示。為充分利用89C52的接口資源，除CAN接口模塊外其余模塊均采用串行接口器件，這樣就減小了電路體積，降低了電路的硬件成本。
CAN接口模塊
CAN總線協(xié)議及其特性見參考文獻(xiàn)。目前，具有CAN協(xié)議功能的芯片很多，本設(shè)計選用常見的PHLIPLE公司的SJA1000獨立CAN控制器芯片和82C250 CAN接口驅(qū)動芯片。為增強(qiáng)節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過高速光耦6N137與82C250相連，電路如圖3所示。
電壓測量模塊
當(dāng)蓄電池是由4節(jié)12V電池串接而成時，其在線端電壓遠(yuǎn)高于ADC的允許輸入電壓，所以對電壓的采集電路要進(jìn)行特別設(shè)計：將串連電池組的各節(jié)電池端電壓經(jīng)模擬開關(guān)分別引入分壓電路進(jìn)行分壓處理，再經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換后送入ADC的差分輸入端，轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)字量輸出到單片機(jī)的PI口。
ADC選用National Semiconductor的ADC0838。 該器件是一種輸入端可編程、單端8通道/差分4通道、8位串行ADC，其數(shù)據(jù)輸入輸出口可以分時共用。
模擬開關(guān)選用MAXIM的MAX4613。它是一種四路單刀單擲TTL/CMOS兼容的模擬開關(guān)，可單端供電(9~40V)也可雙端供電(