分布式蓄電池智能節點(diǎn)設計

電子設計應用2004年第9期

摘    要：本文論述了基于CAN總線(xiàn)的蓄電池智能監控系統的實(shí)現，包括智能監控模塊的軟硬件結構，獨立CAN控制器SJA1000的應用，數字式單總線(xiàn)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；CAN總線(xiàn)；SJA1000；DS18S20
引言
一般電源設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(xiàn)測量。而電池組的失效又往往是從單塊電池失效開(kāi)始的一種惡性循環(huán)，尤其對于使用時(shí)間較長(cháng)但又不超過(guò)使用期限的電池組，單純依靠維護人員的日常維護很難發(fā)現問(wèn)題。因此，對于單塊電池的運行參數進(jìn)行在線(xiàn)監控，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題就變得極為重要。
單塊電池的損壞首先表現在端電壓在充電時(shí)過(guò)高而在放電時(shí)又迅速下降，電池體溫升高，負載能力下降等異?，F象?？梢酝ㄟ^(guò)對電池的端電壓、體溫等參數的在線(xiàn)測量及時(shí)發(fā)現故障電池。
早期的蓄電池在線(xiàn)監控采用集中監控方法，或是基于RS-232(或RS-485)總線(xiàn)的分散采集、集中監控的分布式測量方法。這些方法只能采用主從式系統結構，以輪詢(xún)方式收集數據。這是因為RS-232和RS-485總線(xiàn)只是一種純粹的物理接口，不具有主動(dòng)協(xié)調能力。CAN總線(xiàn)是一種多主機控制局域網(wǎng)標準，具有物理層和數據鏈路層的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、多主節點(diǎn)、無(wú)損仲裁、高可靠性及擴充性能好等特點(diǎn)。下面給出一種基于CAN總線(xiàn)的分布式蓄電池在線(xiàn)監控系統。

圖1 分布式蓄電池在線(xiàn)監控系統功能示意圖

圖2智能監控節點(diǎn)結構圖

圖3 CAN接口模塊原理圖

圖4  DS1820與單片機連接示意圖

系統組成
系統由上位機、RS-232-CAN接口和智能節點(diǎn)組成，如圖1所示。
上位機由普通微機組成，接收各節點(diǎn)的監控數據，建立電池組運行數據庫，對采集到的電池數據進(jìn)行處理(如記錄電池的履歷、采集數據的時(shí)間等)并以表格或圖形的方式輸出顯示，對整個(gè)系統的運行狀況進(jìn)行管理等。
RS-232-CAN接口為CAN總線(xiàn)與上位機的接口，完成CAN總線(xiàn)數據與RS-232接口的數據轉換，對智能節點(diǎn)來(lái)的數據信息進(jìn)行緩存，對告警信號進(jìn)行告警以通知維護人員進(jìn)行處理。
智能節點(diǎn)為智能型的監控模塊，實(shí)現對電池組內(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，并將監測數據存儲，定期上報監控數據。超限告警信號及時(shí)上報，并可接受上位機的輪詢(xún)。下面僅就智能節點(diǎn)給出詳細的設計方案。

硬件組成
智能監控節點(diǎn)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、節點(diǎn)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(xiàn)協(xié)議及其特性見(jiàn)參考文獻。目前，具有CAN協(xié)議功能的芯片很多，本設計選用常見(jiàn)的PHLIPLE公司的SJA1000獨立CAN控制器芯片和82C250 CAN接口驅動(dòng)芯片。為增強節點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過(guò)高速光耦6N137與82C250相連，電路如圖3所示。
電壓測量模塊
當蓄電池是由4節12V電池串接而成時(shí)，其在線(xiàn)端電壓遠高于A(yíng)DC的允許輸入電壓，所以對電壓的采集電路要進(jìn)行特別設計：將串連電池組的各節電池端電壓經(jīng)模擬開(kāi)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，轉換后的電壓數字量輸出到單片機的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，其數據輸入輸出口可以分時(shí)共用。
模擬開(kāi)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(kāi)關(guān)，可單端供電(9~40V)也可雙端供電(