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)用越來越廣泛, 作用越來越重要。為保障控制系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的運行, 研究與設(shè)計高效廉價、準確方便和快捷實用的蓄電池檢測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（直流負載輸入端），保證不間斷地向負載供電，主要用于固定場所;充-放-充工作方式一般用于移動設(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，各單體蓄電池過充電、過放電或者放電不足均易引起電池故障，某個單體蓄電池的故障也會導(dǎo)致整個蓄電池組的故障及損壞。因此，必須通過在線實時檢測蓄電池充放電各單體蓄電池的充放電電壓、充放電時的溫升、整個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，對于蓄電池組的檢測應(yīng)該采取分散采集、集中監(jiān)控的方式。一般的檢測采用的是RS-232或RS-485總線，但由于其為主從方式總線，檢測終端無法主動地向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計了非主從方式的CAN作為蓄電池組的分步式采集總線，使得檢測系統(tǒng)具有高可靠性、可擴充性和實時性等優(yōu)點。 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BOSH公司為汽車的監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè)計的一款串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線可以多主方式工作不分主從，可以點對點、點對多點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)出錯率極低，被公認為是最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。 2.2 蓄電池檢測系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖2所示。24個單體檢測單元分別檢測蓄電池組的24節(jié)單體電池的電壓和電流，各個檢測單元的硬件結(jié)構(gòu)十分相似，同時還有一個單獨的檢測單元用來檢測蓄電池組整體的電壓和電流。檢測單元實時監(jiān)測并向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機接收各個檢測單元的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲、顯示和打印，同時對單體電池的故障進行診斷和報警。 2.3 單體電池檢測單元的設(shè)計 電池單體電壓檢測的功能是實現(xiàn)對單體電池電壓和溫度的檢測和網(wǎng)絡(luò)傳輸。該單元由電壓信號變換、單片機系統(tǒng)、CAN總線接口和電源組成。該單元是基于CAN通信的電壓檢測模塊，檢測到的電壓模擬信號經(jīng)處理并數(shù)字化后，通過CAN總線傳輸給控制管理單元。單體電池檢測單元的電路圖如圖3所示: 檢測終端采集到蓄電池單體電壓和溫度信號后，進行放大，濾波、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和隔離后，送入單片機，單片機將通過CAN總線與上位機進行數(shù)據(jù)通信。 其中，檢測電路采用串行接口的12位A/D轉(zhuǎn)換器，采用周期小于20ms，通過光電隔離于單片機連接。單片機采用低功耗、小體積8位單片機LPC935。該單元用LED指示工作狀態(tài)。通過帶有串行接口的CAN控制器與單片機連接，CAN總線用于向上位機傳輸檢測數(shù)據(jù)。單元內(nèi)的隔離電源采用小型DC/DC模塊電源。 2.4 檢測系統(tǒng)的工作原理分析 各個檢測單元將檢測到的電流、電壓和溫度數(shù)據(jù)按CAN總線規(guī)范存儲到CAN緩沖區(qū)，并啟動發(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CAN總線向上位機進行發(fā)送。上位機的 CAN控制器將接收到的數(shù)據(jù)存儲在緩沖器中，向上位機的CPU發(fā)送中斷請求，若上位機響應(yīng)中斷，則接收這些數(shù)據(jù)并進行處理，將其轉(zhuǎn)化成電壓、電流和溫度信號顯示出來，同時還對這些信號進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 單體檢測單元節(jié)點電路的設(shè)計 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)對蓄電池溫度進行循環(huán)檢測，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，然后發(fā)送到CAN總線上。其溫度采集電路如圖4所示。其中運放A1提供一個恒壓，電阻R3、R4、R6和熱敏電阻R5組成一個橋路，經(jīng)運放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電壓，為了保證電壓檢測的準確性和不影響系統(tǒng)的工作，采用光電隔離器進行隔離。經(jīng)運放后輸入單片機。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)類似，只是將電壓信號通過電阻轉(zhuǎn)化為電流信號后進行采集，本文不再贅述。 3.3 單片機與CAN總線連接電路 本系統(tǒng)的單片機選用為增強型51單片機LPC935，LPC932通過SPI總線與CAN控制器MCP2510連接，經(jīng)過高速光電隔離器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LPC935各口的狀態(tài)初始設(shè)置、堆棧的初始設(shè)置、定時器的設(shè)置、存儲器的初始化、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。 通過對CAN控制器控制段中的寄存器寫入控制字，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 LPC935要對MCP2510完成寄存器操作;寫接收代碼寄存器與接收屏蔽寄存器，確定節(jié)點要接收的信息ID;寫總線定時寄存器，確定總線通訊波特率; 寫輸出控制寄存器，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總線是由其自動完成的。LPC935發(fā)送的過程是: （1） 編輯所發(fā)送信息的標識ID，然后將幀信息存入外部數(shù)據(jù)存儲器之中。 （2） LPC935開始查詢CAN控制器的狀態(tài)寄存器的傳輸緩沖區(qū)狀態(tài)標志位，若為0，則將信息寫入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 本文介紹了一種基于CAN總線的分步式蓄電池檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)實時性好、檢測精度高、易于擴展、抗干擾性好、適用性強。此外，為了對蓄電池的過充電和過放電進行保護，可以增加溫度補償電路。隨著蓄電池使用的不斷廣泛，蓄電池的檢測與維護技術(shù)將是電源技術(shù)研究的一個熱點，基于CAN總線的分步式蓄電池檢測系統(tǒng)有著十分明顯的優(yōu)點和實際應(yīng)用價值。