基于ARM9與LEM傳感器的蓄電池在線監(jiān)測硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

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(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出早期失效電池并預(yù)測蓄電池性能變化趨勢已成為電池運(yùn)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(hù)檢測手段外，隨著技術(shù)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(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，這款由瑞士研發(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(shè)計(jì)，通過與蓄電池的正負(fù)極相連實(shí)現(xiàn)供電和測量，然后通過RJ11接口（電話線接口）實(shí)現(xiàn)至多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)對整個(gè)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(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)測系統(tǒng)。

2 蓄電池在線監(jiān)測硬件平臺(tái)的構(gòu)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(jī)交互，方便用戶在現(xiàn)場時(shí)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(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)場監(jiān)測主機(jī)完成以上功能，與Sentinel模塊相配實(shí)現(xiàn)整個(gè)蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，如下圖：

　　值得說明的是：

　　1）由上圖可見，鑒于sentinel模塊的獨(dú)特設(shè)計(jì)，可以直接對蓄電池阻抗進(jìn)行測試，因此系統(tǒng)毋須安裝單獨(dú)的放電模塊。

　　2）由于sentinel模塊需要通過地址來識(shí)別，該地址是8位的，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)測量充放電電流，感知蓄電池的狀態(tài)，是非常必要的，考慮現(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(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，對現(xiàn)場監(jiān)控提出的要求至少有帶有人機(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。

3 基于ARM9的蓄電池在線監(jiān)測主機(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)框圖如下：

　　說明：

　　1）由于AT91SAM9261采用Dataflash的啟動(dòng)的方式只能工作在溫度高于0℃低于70℃的范圍，一旦溫度低于0℃將無法啟動(dòng)。為了解決這個(gè)問題，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)采用字對齊方式，即芯片的A0地址線對應(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)22歐姆平衡電阻吸收信號(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，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，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)框圖如下：

　　說明：

　　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，以防上電或者掉電時(shí)修改片內(nèi)的數(shù)據(jù)。

　　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)

　　我們在變電站對該系統(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，如下圖：

　　編寫測試程序在系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行，每隔半小時(shí)對各蓄電池模塊進(jìn)行一次取數(shù)，然后將信息通過調(diào)試串口打印出來。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。在未來的實(shí)際應(yīng)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(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。

　　另外，對該平臺(tái)的顯示功能，網(wǎng)絡(luò)通訊功能均做了基本測試，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)測硬件平臺(tái)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(shù)的研究，另外如果配套監(jiān)測軟件可以應(yīng)用于各種需要監(jiān)測蓄電池的實(shí)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(xiǎn)，為我國的安全用電事業(yè)保駕護(hù)航。