基于CAN總線的蓄電池組充放電集散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引　言

隨著高科技及其產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，大存儲(chǔ)容量的蓄電池組能源系統(tǒng)已經(jīng)越來越被人們所重視，在諸如電動(dòng)汽車、大功率UPS、電廠及變電站直流系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等很多領(lǐng)域中都得到廣泛應(yīng)用。

蓄電池組是由一定數(shù)量的單體電池串聯(lián)組成的，在使用過程中可能會(huì)有百次直至千次的充、放電。各單體蓄電池過充電、過放電或者放電不足均易引起電池的故障，某個(gè)單體蓄電池的故障也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)蓄電池組的故障和損壞。因此，在線實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池組充放電各單體蓄電池的充放電電壓、充放電時(shí)的溫升以及整個(gè)蓄電池組的充放電電流、電壓等參數(shù)，及時(shí)找出損壞或性能顯著降低的蓄電池，對(duì)于延長(zhǎng)電池的使用壽命、降低成本特別是提高直流供電系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。鑒于上述情況，我們研制了蓄電池組充、放電集散控制系統(tǒng)，它克服了早期的集中采集檢測(cè)方法中布線多、線路長(zhǎng)，浪費(fèi)人力物力又易引入干擾的缺點(diǎn)，同時(shí)CAN總線多主節(jié)點(diǎn)、高可靠性以及擴(kuò)充性好等特點(diǎn)使得該系統(tǒng)具有較好的控制性能和廣泛的應(yīng)用前景。

系統(tǒng)的組成及工作原理

CAN總線簡(jiǎn)介

控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN (Controller Area Network)總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是由德國BOSH公司為分布式系統(tǒng)在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠工作而設(shè)計(jì)的一種串行通信網(wǎng)絡(luò)，它具有如下顯著特點(diǎn)： (1)多主方式工作，各節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主從，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息，利用這一特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)； (2)采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足不同的實(shí)時(shí)性要求； (3)廣播式數(shù)據(jù)通信，采用CSMA /CD協(xié)議進(jìn)行總線控制及數(shù)據(jù)通信。當(dāng)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)都同時(shí)收到數(shù)據(jù)，具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能； (4)高傳輸可靠性，總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8 個(gè)，并有CRC及其它校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，且在某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)可自動(dòng)脫離總線，使總線上的其它操作不受影響； (5)特別適合于網(wǎng)絡(luò)化智能設(shè)備，最高速率可至1Mbps，此時(shí)通信距離為40m，通信速率選擇5kbps時(shí)，通信距離可長(zhǎng)達(dá)10km，可根據(jù)實(shí)際需要選擇使用。CAN總線只有兩根導(dǎo)線，系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)直接將新節(jié)點(diǎn)掛接在總線上即可，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。所以從適用性、可靠性和低成本的角度考慮，本系統(tǒng)中我們選擇了CAN總線來構(gòu)成底層通信網(wǎng)絡(luò)。

集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)由上位機(jī)(通用PC機(jī)，帶CAN接口適配卡) ，n個(gè)智能電壓、溫度等數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)單元(具體個(gè)數(shù)隨單體蓄電池?cái)?shù)而定，但最多不超過110-2 = 108個(gè)) ， 1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能電壓、電流監(jiān)控顯示報(bào)警節(jié)點(diǎn)單元及CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以INTEL80C196KC單片機(jī)為核心，配以PH IL IPS半導(dǎo)體公司的SJA1000獨(dú)立CAN控制器和PCA82C250CAN收發(fā)器構(gòu)成。PC機(jī)和CAN控制器之間采用雙口RAMIDT7132作為雙向數(shù)據(jù)傳送通道?，F(xiàn)場(chǎng)智能電壓電流監(jiān)控顯示報(bào)警節(jié)點(diǎn)單元另采用北京青云創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司的液晶顯示模塊LCM320240ZK和簡(jiǎn)易鍵盤，用于顯示各智能檢測(cè)節(jié)點(diǎn)單元發(fā)送來的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和向各智能檢測(cè)節(jié)點(diǎn)單元發(fā)送簡(jiǎn)短的PID調(diào)節(jié)等控制命令。智能電壓、溫度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)t配以相應(yīng)的電壓、電流、溫度傳感器及相應(yīng)的處理電路，以完成電壓、電流及溫度信號(hào)的采集工作。

圖1中的各個(gè)智能電壓、溫度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)單元分別安裝固定于各單體蓄電池旁，具有相同的硬件結(jié)構(gòu)。其主要功能是采集各單體蓄電池的充放電電壓，蓄電池在充放電過程中的溫升等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波和相應(yīng)變換后通過CAN 總線網(wǎng)絡(luò)送到上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控顯示報(bào)警節(jié)點(diǎn)單元；現(xiàn)場(chǎng)智能電壓、電流監(jiān)控顯示報(bào)警節(jié)點(diǎn)單元負(fù)責(zé)檢測(cè)蓄電池組充放電電壓、電流，接收各智能檢測(cè)節(jié)點(diǎn)單元發(fā)來的經(jīng)濾波、變換等處理后的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)，完成對(duì)蓄電池組充放電電壓、電流的數(shù)字P ID調(diào)節(jié)控制，并對(duì)各單體蓄電池進(jìn)行故障診斷、鎖定和報(bào)警，其數(shù)據(jù)交換也是通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)送到上位機(jī)。CAN總線網(wǎng)絡(luò)部分主要由CAN總線通信介質(zhì)和相應(yīng)的通信軟件組成。本系統(tǒng)通信介質(zhì)采用雙絞線，負(fù)載連接在CANH和CANL之間，終端匹配阻抗值為信號(hào)的特征阻抗值，約為120Ω。

節(jié)點(diǎn)單元硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)單元工作原理

本系統(tǒng)中存在現(xiàn)場(chǎng)智能電壓電流監(jiān)控顯示報(bào)警節(jié)點(diǎn)單元和智能電壓、溫度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)單元等不同類型的節(jié)點(diǎn)，但其核心電路基本類似，只是外圍接口電路和傳感器等采集電路有所區(qū)別。以帶有監(jiān)控顯示報(bào)警的節(jié)點(diǎn)單元為例，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2：節(jié)點(diǎn)單元結(jié)構(gòu)框圖

現(xiàn)場(chǎng)蓄電池充放電交直流電壓、電流、溫度等模擬量經(jīng)濾波、整形后，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)入80C196KC的A /D轉(zhuǎn)換口，由單片機(jī)定時(shí)采樣并完成A /D轉(zhuǎn)換；開關(guān)量輸入經(jīng)過光耦、緩沖器進(jìn)入單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)通過對(duì)I/O口的檢測(cè)和數(shù)值處理產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作如聲光報(bào)警、關(guān)閉充放電電源模塊、繼電器動(dòng)作等；單片機(jī)將A /D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較和數(shù)字計(jì)算，由高速輸出口HSO完成PWM輸出，經(jīng)隔離、整形、濾波處理后送出PID調(diào)節(jié)信號(hào)，可對(duì)充放電電壓、電流進(jìn)行控制；由于外圍接口電路較多，用8155對(duì)單片機(jī)I/O 口進(jìn)行了擴(kuò)展，通過鍵盤和液晶可上、下、前、后翻屏查看監(jiān)控信息(充放電電源狀態(tài)、蓄電池狀態(tài)、充放電曲線等)和更改系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置(電壓、電流閾值、溫度補(bǔ)償系數(shù)等) ；為進(jìn)行CAN總線通信和與上位機(jī)數(shù)據(jù)交換，節(jié)點(diǎn)單元還設(shè)置了CAN通信接口電路和RS232串行通信接口電路。

CAN總線接口電路

節(jié)點(diǎn)單元CAN總線部分硬件電路原理圖如圖3所示。節(jié)點(diǎn)單元CAN總線接口由獨(dú)立控制器SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250 組成。SJA1000 作為微控制器的片外擴(kuò)展芯片，其片選腳CS接在微控制器的地址譯碼器上，從而決定了CAN控制器中的各寄存器在微控制器中的地址。SJA1000通過CAN控制器接口芯片82C250連接在物理總線上。收發(fā)器件82C250能提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN 控制器的差動(dòng)接受能力，完全和“ ISO11898"標(biāo)準(zhǔn)兼容，具有高速、抗干擾、掉電能自動(dòng)關(guān)閉輸出、支持達(dá)110個(gè)節(jié)點(diǎn)連接等特性。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件由兩部分組成：上位機(jī)PC機(jī)軟件和節(jié)點(diǎn)單元軟件。PC機(jī)軟件在Windows環(huán)境下用組態(tài)軟件產(chǎn)生友好的人機(jī)界面，實(shí)時(shí)讀取各節(jié)點(diǎn)單元所傳送的數(shù)據(jù)，拼裝后在畫面上顯示，通過畫面能及時(shí)了解各蓄電池的工作特性、工作狀態(tài)，對(duì)不符合要求的蓄電池發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便及時(shí)處理，找出蓄電池的最佳工作點(diǎn)，保證蓄電池充放電系統(tǒng)的正常工作，提高蓄電池組充放電的工作效率。節(jié)點(diǎn)單元軟件包括自檢程序、多路A /D轉(zhuǎn)換濾波處理程序、數(shù)字PID調(diào)節(jié)程序、LCD顯示程序和通信程序等模塊，采用匯編語言編寫，仿真調(diào)試脫機(jī)模擬后固化于EPROM內(nèi)。

圖3：節(jié)點(diǎn)單元CAN總線通信接口電路圖

節(jié)點(diǎn)單元主程序

節(jié)點(diǎn)單元主程序流程圖如圖4所示，完成對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)分析， I/O口數(shù)字開關(guān)量的處理、調(diào)用蓄電池充放電參數(shù)調(diào)整程序、CAN總線通信程序和鍵盤、LCD顯示程序等。其中數(shù)據(jù)分析包括蓄電池組的充放電電壓、電流比較、浮充電壓判斷、低壓切除電壓閾值調(diào)整等；I/O數(shù)字開關(guān)量處理包括對(duì)開關(guān)量的判斷、報(bào)警等。

圖4：節(jié)點(diǎn)單元主程序流程圖

通信程序

CAN總線通信程序主要由三部分組成，即初始化程序、發(fā)送程序和接收程序。初始化程序主要完成CAN控制器工作方式的選擇，即對(duì)CAN控制器控制段中的寄存器寫控制字。本系統(tǒng)采用SJA1000，即在系統(tǒng)復(fù)位模式下完成如圖5的初始化流程。信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線或從CAN總線到CAN接收緩沖區(qū)都是由CAN總線控制器SJA1000自動(dòng)完成的，發(fā)送和接收中斷處理流程圖分別如圖6、圖7所示。

圖6：CAN總線通信發(fā)送程序流程圖

圖7：CAN總線通信接收程序流程圖

液晶顯示程序

液晶顯示程序框架如圖8所示。帶中文字庫的大點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊LCM320240ZK每屏可顯示300個(gè)字符，且可以清晰顯示蓄電池組充放電電壓、電流、V/I特性等曲線。首屏監(jiān)控子菜單內(nèi)容包括當(dāng)前時(shí)間、交流電壓、電流、負(fù)載電壓、電流、環(huán)境溫度、單體蓄電池溫度、均浮充狀態(tài)等參數(shù)。在首屏上按功能選擇鍵啟動(dòng)或復(fù)位可進(jìn)入主菜單屏，包括電池狀態(tài)監(jiān)控、充放電參數(shù)控制以及故障報(bào)警等子菜單，利用光標(biāo)移動(dòng)可選擇要查看的子菜單。屏間信息的轉(zhuǎn)換、屏內(nèi)光標(biāo)的移動(dòng)和參數(shù)的增減通過上、下、左、右和確定按鍵組合實(shí)現(xiàn)。

圖8：液晶顯示程序流程圖

結(jié)　語

基于CAN總線的蓄電池組充放電集散控制系統(tǒng)充放電參數(shù)檢測(cè)控制實(shí)時(shí)性好、抗干擾性強(qiáng)且易于升級(jí)，對(duì)于提高直流供電系統(tǒng)的可靠性，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少維護(hù)工作的盲目性具有重要的參考價(jià)值。