基于ARM9與LEM傳感器的蓄電池在線監(jiān)測(cè)硬件平臺(tái)

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(wèn)題，供電系統(tǒng)將面臨癱瘓，造成設(shè)備停運(yùn)及其它重大運(yùn)行事故。近年隨著閥控式密封鉛酸蓄電池(以下簡(jiǎn)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(shí)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(wú)法準(zhǔn)確掌握蓄電池的健康狀況，其“免維護(hù)”的這一優(yōu)點(diǎn)，反而成為電池運(yùn)行管理中的缺點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)極其容易誤導(dǎo)用戶。在提高電池性能、減少維護(hù)工作量的同時(shí)，如何快捷有效地檢測(cè)出早期失效電池并預(yù)測(cè)蓄電池性能變化趨勢(shì)，已成為電池運(yùn)行管理的新課題。目前除了核對(duì)性放電、電壓巡檢等常規(guī)維護(hù)檢測(cè)手段外，隨著技術(shù)的發(fā)展一些新的檢測(cè)手段孕育而生，蓄電池在線監(jiān)測(cè)這一新檢測(cè)技術(shù)開始逐步得到運(yùn)用[1]。

北京萊姆電子是瑞士萊姆集團(tuán)(LEM)的全資子公司，由瑞士研發(fā)、北京生產(chǎn)的Sentinel模塊是專門為應(yīng)用于蓄電池在線監(jiān)測(cè)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(cè)一塊蓄電池，模塊采用四線制設(shè)計(jì)，通過(guò)與蓄電池的正負(fù)極相連實(shí)現(xiàn)供電和測(cè)量，然后通過(guò)RJ11接口(電話線接口)實(shí)現(xiàn)至多達(dá)254個(gè)模塊的相連，經(jīng)由開放的串口協(xié)議通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)蓄電池組的監(jiān)測(cè)。該傳感器可以直接測(cè)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(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(gòu)建蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 蓄電池在線監(jiān)測(cè)硬件平臺(tái)的構(gòu)成

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一方面需要完成在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，如變電站、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)合蓄電池參數(shù)的人機(jī)交互，方便用戶在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)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，使用戶在遠(yuǎn)端如中央控制室，能夠及時(shí)了解現(xiàn)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)短信或者打電話的方式通知到值班人員。因此，有必要設(shè)計(jì)一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)主機(jī)完成以上功能，與Sentinel模塊相匹配，實(shí)現(xiàn)整個(gè)蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建，如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測(cè)硬件平臺(tái)的構(gòu)成

對(duì)在線監(jiān)測(cè)硬件平臺(tái)有以下值得說(shuō)明的地方。

(1)由圖1可見，鑒于sentinel模塊的獨(dú)特設(shè)計(jì)，可以直接對(duì)蓄電池阻抗進(jìn)行測(cè)試，因此，系統(tǒng)毋須安裝單獨(dú)的放電模塊。

(2)由于sentinel模塊需要通過(guò)地址來(lái)識(shí)別，該地址是8位，以上連接最多實(shí)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(chǎng)的復(fù)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(shè)計(jì)的考慮，在現(xiàn)場(chǎng)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(jī)測(cè)量充放電電流，感知蓄電池的狀態(tài)，是非常必要的?？紤]現(xiàn)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(jī)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(jī)，不經(jīng)濟(jì)也不安全。

(5)使用GSM天線的時(shí)候，要實(shí)地測(cè)量當(dāng)?shù)氐男盘?hào)強(qiáng)度，某些機(jī)房信號(hào)屏蔽嚴(yán)重，此時(shí)可以考慮將天線移到室外，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的通暢發(fā)送。

由以上的分析可知，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控提出的要求至少帶有人機(jī)交互功能、網(wǎng)絡(luò)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。

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3 基于ARM9的蓄電池在線監(jiān)測(cè)主機(jī)

主機(jī)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)帶有人機(jī)交互界面的嵌入式系統(tǒng)。為了完成嵌入式平臺(tái)的構(gòu)建，方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(jí)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(kuò)展板的方式，核心板上布置一個(gè)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(kuò)展板上。

3.1 核心板部分設(shè)計(jì)

核心板的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 核心板的設(shè)計(jì)框圖

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對(duì)于核心板設(shè)計(jì)框圖需要做以下說(shuō)明：

(1)由于AT91SAM9261采用Dataflash的啟動(dòng)的方式，只能工作在溫度高于0℃和低于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(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度要求。

(2)Norflash存儲(chǔ)器芯片選擇AMD公司的AM29LV160DB，其容量為4M*16bit 。用于存儲(chǔ)BOOT程序，小型操作系統(tǒng)及小型應(yīng)用程序。設(shè)計(jì)時(shí)采用字對(duì)齊方式，即芯片的A0地址線對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)Norflash的燒寫。

(3)Nandflash存儲(chǔ)器芯片選擇三星公司的K9F1208U0B，其存儲(chǔ)容量為存儲(chǔ)容量64M*16bit，

采用wince或者linux的操作系統(tǒng)時(shí)使用該芯片中存儲(chǔ)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序;如使用ucos之類的小型操作系統(tǒng)時(shí)，則該芯片可以省略不焊接，系統(tǒng)與BOOT程序存儲(chǔ)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(gè)嵌入式平臺(tái)的內(nèi)存，需要頻繁地與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為了實(shí)現(xiàn)較好的信號(hào)完整性，在靠近ARM的地址和控制總線上，串聯(lián)22Ω平衡電阻吸收信號(hào)反射。當(dāng)采用小型操作系統(tǒng)時(shí)候，操作系統(tǒng)可在ARM內(nèi)部的SRAM中運(yùn)行，Sdram可以省略不焊接。

(5)擴(kuò)展接口將ARM芯片的所有可用接口皆擴(kuò)展出來(lái)，用于和擴(kuò)展板連接。

(6)由于信號(hào)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(shè)計(jì)方式，采用信號(hào)層—地層—信號(hào)層—電源層—地層—信號(hào)層的方式。

為了保證高頻工作的效果，設(shè)計(jì)時(shí)考慮將兩片SDRAM的各總線設(shè)計(jì)為等長(zhǎng)，同時(shí)采用兩面布局和蛇形走線等技術(shù)手段。

3.2 擴(kuò)展板部分設(shè)計(jì)

擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)框圖

對(duì)于擴(kuò)展板設(shè)計(jì)框圖需要做以下說(shuō)明。

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

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(2)GSM模塊采用西門子公司的TC35i模塊，與擴(kuò)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，他們之間的走線距離要盡量短。

(3)網(wǎng)卡接口芯片采用DM9000，數(shù)據(jù)包通過(guò)它傳送至以太網(wǎng)直至上位機(jī)軟件。同時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程固件升級(jí)，保證主機(jī)運(yùn)行最新的應(yīng)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(shè)計(jì)在擴(kuò)展板上，實(shí)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(shí)現(xiàn)連接。

(6)觸摸屏接口芯片采用專用芯片ADS7843完成。

4 整機(jī)聯(lián)調(diào)

在變電站對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，使用2組蓄電池，每組分別有54節(jié)2V 300Ah的蓄電池，如圖4所示。

圖4 整機(jī)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

編寫測(cè)試程序在系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行，每隔半小時(shí)對(duì)各蓄電池模塊進(jìn)行一次取數(shù)，然后將信息通過(guò)調(diào)試串口打印出來(lái)。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(gè)電池的參數(shù)分別為電壓、溫度、阻抗。在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)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(shí)本實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了該平臺(tái)可以應(yīng)用于蓄電池在線監(jiān)測(cè)。

另外，對(duì)該平臺(tái)的顯示功能，網(wǎng)絡(luò)通訊功能均做了基本測(cè)試，表現(xiàn)完全正常。進(jìn)一步開發(fā)上層管理軟件，利用該硬件平臺(tái)構(gòu)建一套完整的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是后續(xù)工作的重點(diǎn)。

5 展望

基于ARM9與LEM傳感器的蓄電池在線監(jiān)測(cè)硬件平臺(tái)，不僅可以用于對(duì)蓄電池失效模型和監(jiān)測(cè)算法甚至電池活化技術(shù)的研究，另外，如果配套監(jiān)測(cè)軟件可以應(yīng)用于各種需要監(jiān)測(cè)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(tǒng)以及UPS系統(tǒng)的蓄電池在線監(jiān)測(cè)，從而真正給蓄電池這一薄弱環(huán)節(jié)上一道保險(xiǎn)，為我國(guó)的安全用電事業(yè)保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1] 蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在變電站的應(yīng)用 沈夢(mèng)甜 陳 宏 中國(guó)電力通信網(wǎng)

[2] 為什么要維護(hù)和監(jiān)控備VRLA蓄電池 北京萊姆電子有限公司

[3] AT91SAM9261-EK Evaluation Board User Guide

作者簡(jiǎn)介

趙蘇晉(1981～)，男，西安交通大學(xué)碩士研究生，北京萊姆電子ENS行業(yè)負(fù)責(zé)人。主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品為蓄電池傳感器Sentinel，羅氏線圈傳感器RT?！?/p>