摘要：隨著通信、電子和能源技術(shù)的不斷發(fā)展, 蓄電池在民用和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛, 作用越來(lái)越重要。為保障控制系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行, 研究與設(shè)計(jì)高效廉價(jià)、準(zhǔn)確方便和快捷實(shí)用的蓄電池檢測(cè)裝置就顯得十分的有必要。 關(guān)鍵詞： 蓄電池 CAN總線 LPC935 傳感器 1 引言 蓄電池在直流電力系統(tǒng)中一般有浮充和充放充兩種工作方式，如圖1所示。浮充電工作方式中蓄電池組以并聯(lián)方式接到整流裝置輸出端（直流負(fù)載輸入端），保證不間斷地向負(fù)載供電，主要用于固定場(chǎng)所;充-放-充工作方式一般用于移動(dòng)設(shè)備上，由于蓄電池組是由多塊相同單體蓄電池串聯(lián)而成，各單體蓄電池過(guò)充電、過(guò)放電或者放電不足均易引起電池故障，某個(gè)單體蓄電池的故障也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)蓄電池組的故障及損壞。因此，必須通過(guò)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池充放電各單體蓄電池的充放電電壓、充放電時(shí)的溫升、整個(gè)蓄電池組的充放電電流及充放電電壓等參數(shù), 找出損壞或性能顯著降低的蓄電池，以保證直流電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 因此，對(duì)于蓄電池組的檢測(cè)應(yīng)該采取分散采集、集中監(jiān)控的方式。一般的檢測(cè)采用的是RS-232或RS-485總線，但由于其為主從方式總線，檢測(cè)終端無(wú)法主動(dòng)地向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了非主從方式的CAN作為蓄電池組的分步式采集總線，使得檢測(cè)系統(tǒng)具有高可靠性、可擴(kuò)充性和實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。 2 系統(tǒng)的總體組成和工作原理 2.1 CAN總線介紹 CAN（Controller Area Network）是由德國(guó)BOSH公司為汽車(chē)的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一款串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線可以多主方式工作不分主從，可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播方式傳送和接收數(shù)據(jù)，且具有非破壞性總線仲裁技術(shù);以5kbps的方式通信距離最大可達(dá)10km，傳輸介質(zhì)可用雙絞線、同軸電纜或光纖;CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀為8字節(jié)，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，被公認(rèn)為是最有發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 2.2 蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。24個(gè)單體檢測(cè)單元分別檢測(cè)蓄電池組的24節(jié)單體電池的電壓和電流，各個(gè)檢測(cè)單元的硬件結(jié)構(gòu)十分相似，同時(shí)還有一個(gè)單獨(dú)的檢測(cè)單元用來(lái)檢測(cè)蓄電池組整體的電壓和電流。檢測(cè)單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)接收各個(gè)檢測(cè)單元的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)、顯示和打印，同時(shí)對(duì)單體電池的故障進(jìn)行診斷和報(bào)警。 2.3 單體電池檢測(cè)單元的設(shè)計(jì) 電池單體電壓檢測(cè)的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池電壓和溫度的檢測(cè)和網(wǎng)絡(luò)傳輸。該單元由電壓信號(hào)變換、單片機(jī)系統(tǒng)、CAN總線接口和電源組成。該單元是基于CAN通信的電壓檢測(cè)模塊，檢測(cè)到的電壓模擬信號(hào)經(jīng)處理并數(shù)字化后，通過(guò)CAN總線傳輸給控制管理單元。單體電池檢測(cè)單元的電路圖如圖3所示: 檢測(cè)終端采集到蓄電池單體電壓和溫度信號(hào)后，進(jìn)行放大，濾波、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和隔離后，送入單片機(jī)，單片機(jī)將通過(guò)CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 其中，檢測(cè)電路采用串行接口的12位A/D轉(zhuǎn)換器，采用周期小于20ms，通過(guò)光電隔離于單片機(jī)連接。單片機(jī)采用低功耗、小體積8位單片機(jī)LPC935。該單元用LED指示工作狀態(tài)。通過(guò)帶有串行接口的CAN控制器與單片機(jī)連接，CAN總線用于向上位機(jī)傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)。單元內(nèi)的隔離電源采用小型DC/DC模塊電源。 2.4 檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理分析 各個(gè)檢測(cè)單元將檢測(cè)到的電流、電壓和溫度數(shù)據(jù)按CAN總線規(guī)范存儲(chǔ)到CAN緩沖區(qū)，并啟動(dòng)發(fā)送命令將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，這些數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線向上位機(jī)進(jìn)行發(fā)送。上位機(jī)的 CAN控制器將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩沖器中，向上位機(jī)的CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求，若上位機(jī)響應(yīng)中斷，則接收這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化成電壓、電流和溫度信號(hào)顯示出來(lái)，同時(shí)還對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行一定的分析和診斷，若發(fā)現(xiàn)有異常情況，則發(fā)出警告信息（蜂鳴器響，紅燈亮）。 3 單體檢測(cè)單元節(jié)點(diǎn)電路的設(shè)計(jì) 3.1 溫度采集電路 由于蓄電池的工作性能與溫度有很大的關(guān)系，所以有必要采集到蓄電池的溫度信息。系統(tǒng)對(duì)蓄電池溫度進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換并送到單片機(jī)，然后發(fā)送到CAN總線上。其溫度采集電路如圖4所示。其中運(yùn)放A1提供一個(gè)恒壓，電阻R3、R4、R6和熱敏電阻R5組成一個(gè)橋路，經(jīng)運(yùn)放A2后差分輸出。 3.2 電壓采集電路 系統(tǒng)采集單體蓄電池的電壓是相對(duì)電壓，為了保證電壓檢測(cè)的準(zhǔn)確性和不影響系統(tǒng)的工作，采用光電隔離器進(jìn)行隔離。經(jīng)運(yùn)放后輸入單片機(jī)。其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。 電壓采樣電路采用線性光耦隔離芯片TIL300，輸入電壓變化轉(zhuǎn)化為電流變化，其內(nèi)部呈現(xiàn)如下線性關(guān)系: 由組成的反饋回路可以得，輸入電壓與輸出電壓之間的線性關(guān)系為: 電流采樣電路與電壓采用電路結(jié)構(gòu)類(lèi)似，只是將電壓信號(hào)通過(guò)電阻轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)后進(jìn)行采集，本文不再贅述。 3.3 單片機(jī)與CAN總線連接電路 本系統(tǒng)的單片機(jī)選用為增強(qiáng)型51單片機(jī)LPC935，LPC932通過(guò)SPI總線與CAN控制器MCP2510連接，經(jīng)過(guò)高速光電隔離器6N137后連到CAN收發(fā)器82C250上，82C250連接在CAN總線上，實(shí)行差分發(fā)送和差分接收[1]。具體電路圖如圖6所示。 4 系統(tǒng)通信軟件的編制 系統(tǒng)軟件包含自檢程序、數(shù)顯程序、濾被處理程序和通信程序等，其中通信程序是軟件設(shè)計(jì)的核心和關(guān)鍵。通信程序主要由3部分構(gòu)成，即初始化程序，發(fā)送程序和接收程序。 4.1 初始化程序 初始化程序包括單片機(jī)LPC935各口的狀態(tài)初始設(shè)置、堆棧的初始設(shè)置、定時(shí)器的設(shè)置、存儲(chǔ)器的初始化、中斷的初始化、串口的初始化和CAN控制器初始狀態(tài)的設(shè)置等。 通過(guò)對(duì)CAN控制器控制段中的寄存器寫(xiě)入控制字，從而確定CAN控制器的工作方式。本系統(tǒng)采用的CAN控制器為MCP2510，在系統(tǒng)復(fù)位模式下，單片機(jī) LPC935要對(duì)MCP2510完成寄存器操作;寫(xiě)接收代碼寄存器與接收屏蔽寄存器，確定節(jié)點(diǎn)要接收的信息ID;寫(xiě)總線定時(shí)寄存器，確定總線通訊波特率; 寫(xiě)輸出控制寄存器，選擇正常輸出控制模式。 4.2 發(fā)送程序 數(shù)據(jù)從MCP2510發(fā)送到CAN總線是由其自動(dòng)完成的。LPC935發(fā)送的過(guò)程是: （1） 編輯所發(fā)送信息的標(biāo)識(shí)ID，然后將幀信息存入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之中。 （2） LPC935開(kāi)始查詢CAN控制器的狀態(tài)寄存器的傳輸緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)志位，若為0，則將信息寫(xiě)入MCP2510的發(fā)送緩沖區(qū)之中，而后置命令寄存器TC位為1，發(fā)送該信息。 4.3 接收程序 CAN 控制器自動(dòng)完成信息從CAN總線到CAN接收緩沖區(qū)的傳遞，LPC935接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息即可。MCP2510每成功地接收1幀信息，就把該信息存入內(nèi)部的FIFO中，并產(chǎn)生接收中斷。LPC935響應(yīng)中斷后，將FIFO內(nèi)的信息讀入外部RAM中，然后再釋放該信息所占用的 MCP2510緩沖區(qū)。 5 結(jié)束語(yǔ) 本文介紹了一種基于CAN總線的分步式蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、檢測(cè)精度高、易于擴(kuò)展、抗干擾性好、適用性強(qiáng)。此外，為了對(duì)蓄電池的過(guò)充電和過(guò)放電進(jìn)行保護(hù)，可以增加溫度補(bǔ)償電路。隨著蓄電池使用的不斷廣泛，蓄電池的檢測(cè)與維護(hù)技術(shù)將是電源技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，基于CAN總線的分步式蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)有著十分明顯的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。