分布式蓄電池智能節點設計

電子設計應用2004年第9期

摘    要：本文論述了基于CAN總線的蓄電池智能監控系統的實現，包括智能監控模塊的軟硬件結構，獨立CAN控制器SJA1000的應用，數字式單總線溫度檢測單元，給出了串接電池電壓檢測的一種可行方案。
關鍵詞：單片機；CAN總線；SJA1000；DS18S20
引言
一般電源設備只能對電池組的整體輸出電壓和電流進行測量，對于單塊電池不能進行在線測量。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，尤其對于使用時間較長但又不超過使用期限的電池組，單純依靠維護人員的日常維護很難發現問題。因此，對于單塊電池的運行參數進行在線監控，及時發現問題就變得極為重要。
單塊電池的損壞首先表現在端電壓在充電時過高而在放電時又迅速下降，電池體溫升高，負載能力下降等異常現象。可以通過對電池的端電壓、體溫等參數的在線測量及時發現故障電池。
早期的蓄電池在線監控采用集中監控方法，或是基于RS-232(或RS-485)總線的分散采集、集中監控的分布式測量方法。這些方法只能采用主從式系統結構，以輪詢方式收集數據。這是因為RS-232和RS-485總線只是一種純粹的物理接口，不具有主動協調能力。CAN總線是一種多主機控制局域網標準，具有物理層和數據鏈路層的網絡協議、多主節點、無損仲裁、高可靠性及擴充性能好等特點。下面給出一種基于CAN總線的分布式蓄電池在線監控系統。

圖1 分布式蓄電池在線監控系統功能示意圖

圖2智能監控節點結構圖

圖3 CAN接口模塊原理圖

圖4  DS1820與單片機連接示意圖

系統組成
系統由上位機、RS-232-CAN接口和智能節點組成，如圖1所示。
上位機由普通微機組成，接收各節點的監控數據，建立電池組運行數據庫，對采集到的電池數據進行處理(如記錄電池的履歷、采集數據的時間等)并以表格或圖形的方式輸出顯示，對整個系統的運行狀況進行管理等。
RS-232-CAN接口為CAN總線與上位機的接口，完成CAN總線數據與RS-232接口的數據轉換，對智能節點來的數據信息進行緩存，對告警信號進行告警以通知維護人員進行處理。
智能節點為智能型的監控模塊，實現對電池組內(總電壓48V，單塊電壓12V或2V)的單塊電池端電壓、體溫、環境溫度進行測量。若超出工作范圍則進行告警，并將監測數據存儲，定期上報監控數據。超限告警信號及時上報，并可接受上位機的輪詢。下面僅就智能節點給出詳細的設計方案。

硬件組成
智能監控節點以89C52為控制器，外圍模塊包括CAN接口模塊、溫度測量模塊、電壓測量模塊、告警模塊、節點地址選擇和可選的存儲器模塊等，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總線協議及其特性見參考文獻。目前，具有CAN協議功能的芯片很多，本設計選用常見的PHLIPLE公司的SJA1000獨立CAN控制器芯片和82C250 CAN接口驅動芯片。為增強節點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過高速光耦6N137與82C250相連，電路如圖3所示。
電壓測量模塊
當蓄電池是由4節12V電池串接而成時，其在線端電壓遠高于ADC的允許輸入電壓，所以對電壓的采集電路要進行特別設計：將串連電池組的各節電池端電壓經模擬開關分別引入分壓電路進行分壓處理，再經電壓跟隨器進行阻抗變換后送入ADC的差分輸入端，轉換后的電壓數字量輸出到單片機的PI口。
ADC選用National Semiconductor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，其數據輸入輸出口可以分時共用。
模擬開關選用MAXIM的MAX4613。它是一種四路單刀單擲TTL/CMOS兼容的模擬開關，可單端供電(9~40V)也可雙端供電(