基于ARM9與LEM傳感器的蓄電池在線監(jiān)測硬件平臺

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)問題，供電系統(tǒng)將面臨癱瘓，造成設備停運及其它重大運行事故。近年隨著閥控式密封鉛酸蓄電池(以下簡稱閥控蓄電池)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，使得我們無法準確掌握蓄電池的健康狀況，其“免維護”的這一優(yōu)點，反而成為電池運行管理中的缺點和難點，同時極其容易誤導用戶。在提高電池性能、減少維護工作量的同時，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(guī)維護檢測手段外，隨著技術的發(fā)展一些新的檢測手段孕育而生，蓄電池在線監(jiān)測這一新檢測技術開始逐步得到運用[1]。

北京萊姆電子是瑞士萊姆集團(LEM)的全資子公司，由瑞士研發(fā)、北京生產(chǎn)的Sentinel模塊是專門為應用于蓄電池在線監(jiān)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(jiān)測一塊蓄電池，模塊采用四線制設計，通過與蓄電池的正負極相連實現(xiàn)供電和測量，然后通過RJ11接口(電話線接口)實現(xiàn)至多達254個模塊的相連，經(jīng)由開放的串口協(xié)議通訊實現(xiàn)對整個蓄電池組的監(jiān)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、安裝方便，同時模塊的質保期為五年，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監(jiān)測系統(tǒng)。

2 蓄電池在線監(jiān)測硬件平臺的構成

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)一方面需要完成在工業(yè)現(xiàn)場，如變電站、數(shù)據(jù)中心等場合蓄電池參數(shù)的人機交互，方便用戶在現(xiàn)場觀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)絡接口，使用戶在遠端如中央控制室，能夠及時了解現(xiàn)場的情況;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，有必要設計一臺現(xiàn)場監(jiān)測主機完成以上功能，與Sentinel模塊相匹配，實現(xiàn)整個蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的構建，如圖1所示。

 

 

圖1 在線監(jiān)測硬件平臺的構成

對在線監(jiān)測硬件平臺有以下值得說明的地方。

(1)由圖1可見，鑒于sentinel模塊的獨特設計，可以直接對蓄電池阻抗進行測試，因此，系統(tǒng)毋須安裝單獨的放電模塊。

(2)由于sentinel模塊需要通過地址來識別，該地址是8位，以上連接最多實現(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)場的復雜性，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，出于冗余設計的考慮，在現(xiàn)場允許的情況下，盡量布置該線纜。

(4)圖中的電流變送器一般用于主機測量充放電電流，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(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，不經(jīng)濟也不安全。

(5)使用GSM天線的時候，要實地測量當?shù)氐男盘枏姸?，某些機房信號屏蔽嚴重，此時可以考慮將天線移到室外，以實現(xiàn)信號的通暢發(fā)送。

由以上的分析可知，對現(xiàn)場監(jiān)控提出的要求至少帶有人機交互功能、網(wǎng)絡功能、GSM發(fā)射功能、Sbus總線通訊的功能以及A/D轉換接口。

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3 基于ARM9的蓄電池在線監(jiān)測主機

主機實質上是一個帶有人機交互界面的嵌入式系統(tǒng)。為了完成嵌入式平臺的構建，方便實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議的通訊，擬采用ARM9+操作系統(tǒng)的方式?？紤]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(tǒng)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展板上。

3.1 核心板部分設計

核心板的設計框圖如圖2所示。

 

 

圖2 核心板的設計框圖

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對于核心板設計框圖需要做以下說明：

(1)由于AT91SAM9261采用Dataflash的啟動的方式，只能工作在溫度高于0℃和低于70℃的范圍，一旦溫度低于0℃將無法啟動。為了解決這個問題，只能使ARM采用外部啟動即NOR FLASH啟動的方式，因此，需要選擇啟動模式為外部啟動(BMS=0)，以達到工業(yè)現(xiàn)場的溫度要求。

(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(tǒng)及小型應用程序。設計時采用字對齊方式，即芯片的A0地址線對應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的腳本文件以實現(xiàn)對Norflash的燒寫。

(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(tǒng)時使用該芯片中存儲操作系統(tǒng)和應用程序;如使用ucos之類的小型操作系統(tǒng)時，則該芯片可以省略不焊接，系統(tǒng)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(tǒng)中采用兩片SDRAM構成32數(shù)據(jù)總線。由于Sdram芯片為整個嵌入式平臺的內(nèi)存，需要頻繁地與CPU進行數(shù)據(jù)交互，為了實現(xiàn)較好的信號完整性，在靠近ARM的地址和控制總線上，串聯(lián)22Ω平衡電阻吸收信號反射。當采用小型操作系統(tǒng)時候，操作系統(tǒng)可在ARM內(nèi)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，用于和擴展板連接。

(6)由于信號密集，同時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，設計時考慮將兩片SDRAM的各總線設計為等長，同時采用兩面布局和蛇形走線等技術手段。

3.2 擴展板部分設計

擴展板的設計框圖如圖3所示。

 

 

圖3 擴展板的設計框圖

對于擴展板設計框圖需要做以下說明。

(1)SPI flash芯片用于存儲蓄電池傳感器采得的數(shù)據(jù)。此處將芯片的寫保護腳使用ARM的一個I/O口管理起來，以防上電或掉電時修改片內(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，與擴展接口(連向ARM新片)之間通過串口進行通訊，另外使用ARM的一個I/O口控制IGT管腳進行模塊的激活。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)包通過它傳送至以太網(wǎng)直至上位機軟件。同時使用網(wǎng)絡協(xié)議可以實現(xiàn)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，其轉換電路是開放的，將該電路設計在擴展板上，實現(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實現(xiàn)連接。

(6)觸摸屏接口芯片采用專用芯片ADS7843完成。

4 整機聯(lián)調

在變電站對該系統(tǒng)進行了實驗，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 整機系統(tǒng)聯(lián)調

編寫測試程序在系統(tǒng)內(nèi)運行，每隔半小時對各蓄電池模塊進行一次取數(shù)，然后將信息通過調試串口打印出來。下面為某次取數(shù)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

以上每個電池的參數(shù)分別為電壓、溫度、阻抗。在未來的實際應用中，通過對這些參數(shù)的綜合分析，可以得知每只蓄電池的健康狀況;同時本實驗也驗證了該平臺可以應用于蓄電池在線監(jiān)測。

另外，對該平臺的顯示功能，網(wǎng)絡通訊功能均做了基本測試，表現(xiàn)完全正常。進一步開發(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監(jiān)測系統(tǒng)是后續(xù)工作的重點。

5 展望

基于ARM9與LEM傳感器的蓄電池在線監(jiān)測硬件平臺，不僅可以用于對蓄電池失效模型和監(jiān)測算法甚至電池活化技術的研究，另外，如果配套監(jiān)測軟件可以應用于各種需要監(jiān)測蓄電池的實際場合，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，從而真正給蓄電池這一薄弱環(huán)節(jié)上一道保險，為我國的安全用電事業(yè)保駕護航。

參考文獻

[1] 蓄電池在線監(jiān)測技術在變電站的應用 沈夢甜 陳 宏 中國電力通信網(wǎng)

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

[3] AT91SAM9261-EK Evaluation Board User Guide

作者簡介

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