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應(yīng)變式壓力傳感器

基于ARM9與LEM傳感器的蓄電池在線監(jiān)測(cè)硬件平臺(tái)

發(fā)布日期:2022-08-21 點(diǎn)擊率:28

  1 概述

  蓄電池作為備用電源在供電系統(tǒng)中往往起著極其重要的作用,在交流電失電或其它事故狀態(tài)下蓄電池組一旦出現(xiàn)問(wèn)題,供電系統(tǒng)將面臨癱瘓,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(jiǎn)稱閥控蓄電池)的廣泛使用,加之使用環(huán)境及條件欠佳,因蓄電池提前失效而引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生。閥控蓄電池由于特殊的閥控式密封結(jié)構(gòu),使得我們無(wú)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),同時(shí)極其容易誤導(dǎo)用戶。在提高電池性能,減少維護(hù)工作量的同時(shí),如何快捷有效地檢測(cè)出早期失效電池并預(yù)測(cè)蓄電池性能變化趨勢(shì)已成為電池運(yùn)行管理的新課題。目前除了核對(duì)性放電、電壓巡檢等常規(guī)維護(hù)檢測(cè)手段外,隨著技術(shù)的發(fā)展一些新的檢測(cè)手段孕育而生,蓄電池在線監(jiān)測(cè)這一新檢測(cè)技術(shù)開始逐步得到運(yùn)用[1]。

  北京萊姆電子是瑞士萊姆集團(tuán)(LEM)的全資子公司,這款由瑞士研發(fā)、北京生產(chǎn)的Sentinel模塊是專門為應(yīng)用于蓄電池在線監(jiān)測(cè)而量身定做的蓄電池傳感器。該傳感器只有火柴盒大小,每只模塊監(jiān)測(cè)一塊蓄電池,模塊采用四線制設(shè)計(jì),通過(guò)與蓄電池的正負(fù)極相連實(shí)現(xiàn)供電和測(cè)量,然后通過(guò)RJ11接口(電話線接口)實(shí)現(xiàn)至多254個(gè)模塊的相連,經(jīng)由開放的串口協(xié)議通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)蓄電池組的監(jiān)測(cè)。該傳感器可以直接測(cè)量單體蓄電池的阻抗、電壓和表面溫度(模塊貼在電池表面),連線、安裝方便,同時(shí)模塊的質(zhì)保期為五年,完全跨越蓄電池的失效周期,因此非常便于構(gòu)建蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

  2 蓄電池在線監(jiān)測(cè)硬件平臺(tái)的構(gòu)成

  蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一方面需要完成在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)如變電站,數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)合蓄電池參數(shù)的人機(jī)交互,方便用戶在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)觀測(cè)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(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)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(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)主機(jī)完成以上功能,與Sentinel模塊相配實(shí)現(xiàn)整個(gè)蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建,如下圖:


  值得說(shuō)明的是:

  1)由上圖可見,鑒于sentinel模塊的獨(dú)特設(shè)計(jì),可以直接對(duì)蓄電池阻抗進(jìn)行測(cè)試,因此系統(tǒng)毋須安裝單獨(dú)的放電模塊。

  2)由于sentinel模塊需要通過(guò)地址來(lái)識(shí)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,

  3)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(chǎng)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(chǎng)允許的情況下,盡量布置該線纜。

  4)圖中的電流變送器一般用于主機(jī)測(cè)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(chǎng)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。

  5)使用GSM天線的時(shí)候,要實(shí)地測(cè)量當(dāng)?shù)氐男盘?hào)強(qiáng)度,某些機(jī)房信號(hào)屏蔽嚴(yán)重,此時(shí)可以考慮將天線移到室外,以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的通暢發(fā)送。

  由以上的分析,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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 基于ARM9的蓄電池在線監(jiān)測(cè)主機(jī)

  主機(jī)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(tái)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(jí)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(gè)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。

  3.1核心板部分設(shè)計(jì)
  核心板的設(shè)計(jì)框圖如下:


  說(shuō)明:

  1) 由于AT91SAM9261采用Dataflash的啟動(dòng)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(wú)法啟動(dòng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題,只能使ARM采用外部啟動(dòng)即NORFLASH啟動(dòng)的方式,因此需要選擇啟動(dòng)模式為外部啟動(dòng)(BMS=0),以達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度要求。

  2) Norflash存儲(chǔ)器芯片選擇AMD公司的AM29LV160DB,其容量為4M*16bit,用于存儲(chǔ)BOOT程序,小型操作系統(tǒng)及小型應(yīng)用程序。設(shè)計(jì)時(shí)采用字對(duì)齊方式,即芯片的A0地址線對(duì)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(duì)Norflash的燒寫

  3)Nandflash存儲(chǔ)器芯片選擇三星公司的K9F1208U0B,其存儲(chǔ)容量為存儲(chǔ)容量:64M*16bit,采用wince或者linux的操作系統(tǒng)時(shí)使用該芯片中存儲(chǔ)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(shí),則該芯片可以省略不焊接,系統(tǒng)與BOOT程序存儲(chǔ)在Norflash即可。

  4)Sdram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(gè)嵌入式平臺(tái)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(hào)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(hào)反射。當(dāng)采用小型操作系統(tǒng)時(shí)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。

  5)擴(kuò)展接口將ARM芯片的所有可用接口皆擴(kuò)展出來(lái),用于和擴(kuò)展板連接。

  6)由于信號(hào)密集,同時(shí)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(hào)層——地層——信號(hào)層——電源層——地層——信號(hào)層的方式。

  為了保證高頻工作的效果,設(shè)計(jì)時(shí)考慮將兩片SDRAM的各總線設(shè)計(jì)為等長(zhǎng),同時(shí)采用兩面布局和蛇形走線等技術(shù)手段。

  3.2擴(kuò)展板部分設(shè)計(jì)

  擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)框圖如下:

  說(shuō)明:

  1) SPIflash芯片用于存儲(chǔ)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(gè)I/O口管理起來(lái),以防上電或者掉電時(shí)修改片內(nèi)的數(shù)據(jù)。
  2) GSM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(guò)串口進(jìn)行通訊,另外使用ARM的一個(gè)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。
  3) 網(wǎng)卡接口芯片采用DM9000,數(shù)據(jù)包通過(guò)它傳送至以太網(wǎng)直至上位機(jī)軟件。同時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程固件升級(jí),保證主機(jī)運(yùn)行最新的應(yīng)用軟件。
  4)Sbus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。
  5)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。
  6)觸摸屏接口芯片采用專用芯片ADS7843完成。

  4 整機(jī)聯(lián)調(diào)

  我們?cè)谧冸娬緦?duì)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(cè)試程序在系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行,每隔半小時(shí)對(duì)各蓄電池模塊進(jìn)行一次取數(shù),然后將信息通過(guò)調(diào)試串口打印出來(lái)。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(gè)電池的參數(shù)分別為電壓、溫度、阻抗。在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)對(duì)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(shí)本實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了該平臺(tái)可以應(yīng)用于蓄電池在線監(jiān)測(cè)。

  另外,對(duì)該平臺(tái)的顯示功能,網(wǎng)絡(luò)通訊功能均做了基本測(cè)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(tái)構(gòu)建一套完整的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是后續(xù)工作的重點(diǎn)。

  5 展望

  基于ARM9與LEM傳感器的蓄電池在線監(jiān)測(cè)硬件平臺(tái)不僅可以用于對(duì)蓄電池失效模型和監(jiān)測(cè)算法甚至電池活化技術(shù)的研究,另外如果配套監(jiān)測(cè)軟件可以應(yīng)用于各種需要監(jiān)測(cè)蓄電池的實(shí)際場(chǎng)合,如電力、通信、石油、化工、鐵路、煤炭等行業(yè)的直流電源系統(tǒng)以及UPS系統(tǒng)的蓄電池在線監(jiān)測(cè),從而真正給蓄電池這一薄弱環(huán)節(jié)上一道保險(xiǎn),為我國(guó)的安全用電事業(yè)保駕護(hù)航。

  

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