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嵌入式技術(shù)在電流傳感器蓄電池中的應(yīng)用

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嵌入式技術(shù)在電流傳感器蓄電池中的應(yīng)用

引言
在供電系統(tǒng)中,雖然蓄電池作為備用電源,但也發(fā)揮著極其重要的作用。一旦在交流電失電或其它事故狀態(tài)下,蓄電池組若是出現(xiàn)問題,那么供電系統(tǒng)將面臨癱瘓,因此造成設(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,蓄電池的相關(guān)事故也屢見不鮮。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)。在提高電池性能,減少維護(hù)工作量的同時,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。

蓄電池在線監(jiān)測硬件平臺的構(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)整個蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建,如下圖:
需要說明的是:
a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。
b由于sentinel模塊需要通過地址來識別,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。
c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。
d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。
e使用GSM天線的時候,要實(shí)地測量當(dāng)?shù)氐男盘枏?qiáng)度,某些機(jī)房信號屏蔽嚴(yán)重,此時可以考慮將天線移到室外,以實(shí)現(xiàn)信號的通暢發(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蓄電池在線監(jiān)測主機(jī)主機(jī)實(shí)質(zhì)上是一個帶有人機(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。

核心板部分設(shè)計(jì)
核心板的設(shè)計(jì)框圖如下:
說明:
a由于AT91SAM9261采用Dataflash的啟動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。為了解決這個問題,只能使ARM采用外部啟動即NORFLASH啟動的方式,因此需要選擇啟動模式為外部啟動(BMS=0),以達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場的溫度要求。bNorflash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(yīng)用程序。設(shè)計(jì)時采用字對齊方式,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
cNandflash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(yīng)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。
dSdram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芯片為整個嵌入式平臺的內(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反射。當(dāng)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(yùn)行,Sdram可以省略不焊接。
e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。
f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(shè)計(jì)方式,采用信號層——地層——信號層——電源適配器層——地層——信號層的方式。
為了保證高頻工作的效果,設(shè)計(jì)時考慮將兩片SDRAM的各總線設(shè)計(jì)為等長,同時采用兩面布局和蛇形走線等技術(shù)手段。

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:
aSPIflash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(hù)腳使用ARM的一個I/O口管理起來,以防上電或者掉電時修改片內(nèi)的數(shù)據(jù)。
bGSM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。
c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。同時使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程固件升級,保證主機(jī)運(yùn)行最新的應(yīng)用軟件。
dSbus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。
e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。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)2v300Ah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:
#1battery:2.28v24.29404.9uohm#2battery:2.24v24.08362.1uohm
#3battery:2.22v24.29426.1uohm#4battery:2.29v24.29350.1uohm
#5battery:2.25v24.29381.8uohm#6battery:2.28v24.29392.6uohm
#7battery:2.28v24.29359.0uohm#8battery:2.31v24.29373.2uohm
以上每個電池的參數(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;同時本實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了該平臺可以應(yīng)用于蓄電池在線監(jiān)測。
另外,對該平臺的顯示功能,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)。

結(jié)語
基于嵌入式技術(shù)的電流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6w電源適配器系統(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(hù)航。

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| 發(fā)布時間:2018.06.21    來源:電源適配器廠家
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