摘要：本文論述了基于CAN總線的蓄電池智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，包括智能監(jiān)控模塊的軟硬件結(jié)構(gòu)，獨(dú)立CAN控制器SJA1000的應(yīng)用，數(shù)字式單總線溫度檢測(cè)單元，給出了串接電池電壓檢測(cè)的一種可行方案。

引言

一般電源設(shè)備只能對(duì)電池組的整體輸出電壓和電流進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于單塊電池不能進(jìn)行在線測(cè)量。而電池組的失效又往往是從單塊電池失效開始的一種惡性循環(huán)，尤其對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)但又不超過使用期限的電池組，單純依靠維護(hù)人員的日常維護(hù)很難發(fā)現(xiàn)問題。因此，對(duì)于單塊電池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題就變得極為重要。

單塊電池的損壞首先表現(xiàn)在端電壓在充電時(shí)過高而在放電時(shí)又迅速下降，電池體溫升高，負(fù)載能力下降等異常現(xiàn)象。可以通過對(duì)電池的端電壓、體溫等參數(shù)的在線測(cè)量及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障電池。

早期的蓄電池在線監(jiān)控采用集中監(jiān)控方法，或是基于RS-232(或RS-485)總線的分散采集、集中監(jiān)控的分布式測(cè)量方法。這些方法只能采用主從式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以輪詢方式收集數(shù)據(jù)。這是因?yàn)镽S-232和RS-485總線只是一種純粹的物理接口，不具有主動(dòng)協(xié)調(diào)能力。CAN總線是一種多主機(jī)控制局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多主節(jié)點(diǎn)、無(wú)損仲裁、高可靠性及擴(kuò)充性能好等特點(diǎn)。下面給出一種基于CAN總線的分布式蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)。

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由上位機(jī)、RS-232-CAN接口和智能節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。

上位機(jī)由普通微機(jī)組成，接收各節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，建立電池組運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)采集到的電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理(如記錄電池的履歷、采集數(shù)據(jù)的時(shí)間等)并以表格或圖形的方式輸出顯示，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行管理等。

RS-232-CAN接口為CAN總線與上位機(jī)的接口，完成CAN總線數(shù)據(jù)與RS-232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對(duì)智能節(jié)點(diǎn)來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行緩存，對(duì)告警信號(hào)進(jìn)行告警以通知維護(hù)人員進(jìn)行處理。

智能節(jié)點(diǎn)為智能型的監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組內(nèi)(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(cè)量。若超出工作范圍則進(jìn)行告警，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，定期上報(bào)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。超限告警信號(hào)及時(shí)上報(bào)，并可接受上位機(jī)的輪詢。下面僅就智能節(jié)點(diǎn)給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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硬件組成

智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)以89C52為控制器，外圍模塊包括CAN接口模塊、溫度測(cè)量模塊、電壓測(cè)量模塊、告警模塊、節(jié)點(diǎn)地址選擇和可選的存儲(chǔ)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總線協(xié)議及其特性見參考文獻(xiàn)。目前，具有CAN協(xié)議功能的芯片很多，本設(shè)計(jì)選用常見的pHLIpLE公司的SJA1000獨(dú)立CAN控制器芯片和82C250CAN接口驅(qū)動(dòng)芯片。為增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過高速光耦6N137與82C250相連，電路如圖3所示。

電壓測(cè)量模塊

當(dāng)蓄電池是由4節(jié)12V電池串接而成時(shí)，其在線端電壓遠(yuǎn)高于ADC的允許輸入電壓，所以對(duì)電壓的采集電路要進(jìn)行特別設(shè)計(jì)：將串連電池組的各節(jié)電池端電壓經(jīng)模擬開關(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(zhuǎn)換后的電壓數(shù)字量輸出到單片機(jī)的pI口。

ADC選用NaTIonalSemiconductor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(shù)據(jù)輸入輸出口可以分時(shí)共用。

模擬開關(guān)選用MAXIM的MAX4613。它是一種四路單刀單擲TTL/CMOS兼容的模擬開關(guān)，可單端供電(9~40V)也可雙端供電(4.5~20V)，與電池組的連接采用浮地方式：每個(gè)MAX4613控制兩節(jié)電池的選通，電源和地分別取兩節(jié)電池串連后的正極和負(fù)極。由于MAX4613的S1、S4和S2、S3的控制極性相反，所以不能采用譯碼電路，而由單片機(jī)的四個(gè)I/O口線經(jīng)光耦隔離后單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，以保證同時(shí)只有一路電池電壓接入后級(jí)的分壓電路。另外，其控制端采用CMOS電平(VL接V+)。

分壓電路采用三個(gè)相同的電阻，分壓后的電壓約為4V左右。由于使用同一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)，避免了由于分壓網(wǎng)絡(luò)的差異引起各路間的誤差。同時(shí)模擬轉(zhuǎn)換器采用差分輸入從而減少了共模干擾和避免了浮地引起的電壓不兼容的問題。

如果對(duì)2V電池采樣，可以用6個(gè)CD4052模擬開關(guān)控制各節(jié)電池的選通，每個(gè)CD4052控制4節(jié)電池，由兩個(gè)I/O口線經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動(dòng)兩個(gè)地址選擇端，另三個(gè)I/O口線經(jīng)74LS138譯碼后分別控制六個(gè)CD4052的使能端(INH)。

溫度測(cè)量模塊

溫度測(cè)量模塊采用美國(guó)DALLAS公司推出的DS18S20系列單總線數(shù)字溫度計(jì)，只需要一根導(dǎo)線就可將單片機(jī)和DS18S20連接起來(lái)，如圖4所示。每個(gè)I/O口線可以同時(shí)掛接多個(gè)DS18S20。

軟件的實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，系統(tǒng)軟件主要分為主程序、數(shù)據(jù)采集(電壓、溫度)處理程序和通訊程序。

主程序?yàn)橄到y(tǒng)控制程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化(包括系統(tǒng)自檢、讀取本節(jié)點(diǎn)地址、電池組電池電壓種類、向上位機(jī)發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的地址、接收上位機(jī)發(fā)送的本節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)電壓值和溫度值)和各模塊軟件的總體調(diào)度。

數(shù)據(jù)采集處理程序包括電壓采集和溫度采集。由于DS18S20的溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)(750ms)，所以每次采集先進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換、電壓采集，再進(jìn)行溫度的采集。溫度轉(zhuǎn)換和電壓采集同步進(jìn)行。每一輪采集后要將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否超過限定值。若正常則判斷是否采集了5次，若不是則再次進(jìn)行采集。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)的變換是緩慢的，如果正常就沒有必要每次都將數(shù)據(jù)上報(bào)，以減少CAN總線上的數(shù)據(jù)量；若到了5次或數(shù)據(jù)超限，則對(duì)數(shù)據(jù)打包上傳，進(jìn)入CAN通信階段。

CAN通信程序負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN控制器，再由CAN控制器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線。主要的子程序有：CAN初始化、CAN發(fā)送、CAN接收、ADC子程序，DS1820的復(fù)位、啟動(dòng)、ROM的搜索、讀寫等。其中CAN初始化、發(fā)送和接收子程序、DS1820的復(fù)位、啟動(dòng)、ROM搜索、讀寫等可參閱后面的參考文獻(xiàn)，ADC的轉(zhuǎn)換子程序詳見本刊網(wǎng)站。

結(jié)語(yǔ)

分布式蓄電池智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化程度高、測(cè)量準(zhǔn)確、能及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池組存在的早期故障。其智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以作為對(duì)一個(gè)臺(tái)站的多組電池實(shí)現(xiàn)分散采集、集中監(jiān)控的一個(gè)組成部分進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)使用，也可以作為開關(guān)電源的一個(gè)附屬部分與開關(guān)電源配套使用。CAN接口可以用RS-232接口代替，以和現(xiàn)有的開關(guān)電源的控制主機(jī)聯(lián)接，提高現(xiàn)有電源的性能。