基于A(yíng)RM9與LEM傳感器的蓄電池在線(xiàn)監測硬件平臺的設計

1 概述

　　蓄電池作為備用電源在供電系統中往往起著(zhù)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問(wèn)題，供電系統將面臨癱瘓，造成設備停運及其它重大運行事故。近年隨著(zhù)閥控式密封鉛酸蓄電池（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(shí)有發(fā)生。閥控蓄電池由于特殊的閥控式密封結構，使得我們無(wú)法準確掌握蓄電池的健康狀況，其“免維護”的這一優(yōu)點(diǎn)，反而成為電池運行管理中的缺點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)極其容易誤導用戶(hù)。在提高電池性能，減少維護工作量的同時(shí)，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、電壓巡檢等常規維護檢測手段外，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展一些新的檢測手段孕育而生，蓄電池在線(xiàn)監測這一新檢測技術(shù)開(kāi)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(zhuān)門(mén)為應用于蓄電池在線(xiàn)監測而量身定做的蓄電池傳感器。該傳感器只有火柴盒大小，每只模塊監測一塊蓄電池，模塊采用四線(xiàn)制設計，通過(guò)與蓄電池的正負極相連實(shí)現供電和測量，然后通過(guò)RJ11接口（電話(huà)線(xiàn)接口）實(shí)現至多254個(gè)模塊的相連，經(jīng)由開(kāi)放的串口協(xié)議通訊實(shí)現對整個(gè)蓄電池組的監測。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(xiàn)、安裝方便，同時(shí)模塊的質(zhì)保期為五年，完全跨越蓄電池的失效周期，因此非常便于構建蓄電池在線(xiàn)監測系統。

2 蓄電池在線(xiàn)監測硬件平臺的構成

　　蓄電池在線(xiàn)監測系統一方面需要完成在工業(yè)現場(chǎng)如變電站，數據中心等場(chǎng)合蓄電池參數的人機交互，方便用戶(hù)在現場(chǎng)時(shí)觀(guān)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(luò )接口，使用戶(hù)在遠端如中央控制室能夠及時(shí)了解現場(chǎng)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(huà)的方式通知到值班人員。因此有必要設計一臺現場(chǎng)監測主機完成以上功能，與Sentinel模塊相配實(shí)現整個(gè)蓄電池在線(xiàn)監測系統的構建，如下圖：

　　值得說(shuō)明的是：

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

　　2）由于sentinel模塊需要通過(guò)地址來(lái)識別，該地址是8位的，以上連接最多實(shí)現254塊蓄電池的連接，

　　3）理論上圖中用虛線(xiàn)指示的sbus通訊線(xiàn)是不需要連接的，但是考慮到工業(yè)現場(chǎng)的復雜性，如兩模塊之間的通訊線(xiàn)一旦被破壞，則某些模塊將不在線(xiàn)路中，因此出于冗余設計的考慮，在現場(chǎng)允許的情況下，盡量布置該線(xiàn)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，考慮現場(chǎng)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，否則電池充放電線(xiàn)纜（往往是很粗的線(xiàn)纜）需要繞經(jīng)主機，不經(jīng)濟也不安全。

　　5）使用GSM天線(xiàn)的時(shí)候，要實(shí)地測量當地的信號強度，某些機房信號屏蔽嚴重，此時(shí)可以考慮將天線(xiàn)移到室外，以實(shí)現信號的通暢發(fā)送。

　　由以上的分析，對現場(chǎng)監控提出的要求至少有帶有人機交互功能，網(wǎng)絡(luò )功能，GSM發(fā)射功能，sbus總線(xiàn)通訊的功能以及A/D轉換接口。

3 基于ARM9的蓄電池在線(xiàn)監測主機

　　主機實(shí)質(zhì)上是一個(gè)帶有人機交互界面的嵌入式系統。為了完成嵌入式平臺的構建，方便實(shí)現網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的通訊，擬采用ARM9+操作系統的方式，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作為系統的主控CPU。

　　為了調試方便采用核心板+擴展板的方式，核心板上布置一個(gè)ARM9的最小系統，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(shuō)明：

　　1）由于A(yíng)T91SAM9261采用Dataflash的啟動(dòng)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(wú)法啟動(dòng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，只能使ARM采用外部啟動(dòng)即NOR FLASH啟動(dòng)的方式，因此需要選擇啟動(dòng)模式為外部啟動(dòng)（BMS=0），以達到工業(yè)現場(chǎng)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，小型操作系統及小型應用程序。設計時(shí)采用字對齊方式，即芯片的A0地址線(xiàn)對應ARM芯片的A1地址線(xiàn)。另外由于A(yíng)TMEL官方提供的SAM-BA燒寫(xiě)程序僅支持Dataflash和Nandflash，因此有必要修改SAM-BA的腳本文件以實(shí)現對Norflash的燒寫(xiě)

　　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的操作系統時(shí)使用該芯片中存儲操作系統和應用程序；如使用ucos之類(lèi)的小型操作系統時(shí)，則該芯片可以省略不焊接，系統與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，本系統中采用兩片SDRAM構成32數據總線(xiàn)。由于Sdram芯片為整個(gè)嵌入式平臺的內存，需要頻繁地與CPU進(jìn)行數據交互，為了實(shí)現較好的信號完整性，在靠近ARM的地址和控制總線(xiàn)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時(shí)候，操作系統可在A(yíng)RM內部的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(lái)，用于和擴展板連接。

　　6）由于信號密集，同時(shí)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(shí)考慮將兩片SDRAM的各總線(xiàn)設計為等長(cháng)，同時(shí)采用兩面布局和蛇形走線(xiàn)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(shuō)明：

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

　　2）GSM模塊采用西門(mén)子公司的TC35i模塊，與擴展接口（連向ARM新片）之間通過(guò)串口進(jìn)行通訊，另外使用ARM的一個(gè)I/O口控制IGT管腳進(jìn)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(xiàn)距離要盡量短。

　　3）網(wǎng)卡接口芯片采用DM9000，數據包通過(guò)它傳送至以太網(wǎng)直至上位機軟件。同時(shí)使用網(wǎng)絡(luò )協(xié)議可以實(shí)現遠程固件升級，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)議可以轉換為串口協(xié)議，其轉換電路是開(kāi)放的，將該電路設計在擴展板上，實(shí)現主控板與sentinel模塊的通訊。

　　5）由于A(yíng)T91SAM9261提供液晶數據接口，因此可以直接與LCD實(shí)現連接。

　　6）觸摸屏接口芯片采用專(zhuān)用芯片ADS7843完成。

4 整機聯(lián)調

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

　　編寫(xiě)測試程序在系統內運行，每隔半小時(shí)對各蓄電池模塊進(jìn)行一次取數，然后將信息通過(guò)調試串口打印出來(lái)。下面為某次取數得到的結果：

　　# 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(gè)電池的參數分別為電壓、溫度、阻抗。在未來(lái)的實(shí)際應用中，通過(guò)對這些參數的綜合分析，可以得知每只蓄電池的健康狀況；同時(shí)本實(shí)驗也驗證了該平臺可以應用于蓄電池在線(xiàn)監測。

　　另外，對該平臺的顯示功能，網(wǎng)絡(luò )通訊功能均做了基本測試，表現完全正常。進(jìn)一步開(kāi)發(fā)上層管理軟件，利用該硬件平臺構建一套完整的蓄電池在線(xiàn)監測系統是后續工作的重點(diǎn)。

5 展望

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