一种基于ARM的蓄电池参数检测模块

张丹丹 张海云 黄牛

(中国船舶重工集团公司七一二研究所，武汉 430064)

1 引言

蓄电池是一种能将电能转化为化学能储存起来，需要时再将化学能转变为电能的装置。它是一种供电方便、安全可靠的直流电源，因而在国民经济的各个领域得到了广泛的应用。由于蓄电池是一种化学反应装置，其内部的化学反应一般不易及时察觉，日常使用中的缺陷也不会立即反应出来，因此，为了确保蓄电池的正确使用和维护，装配蓄电池参数检测的智能模块至关重要，设计了一种以智能传感器和 CAN总线为核心的智能化铅酸蓄电池参数的检测模块，它将传统的分布式检测系统中的检测功能进一步下放到现场智能模块单元，具有自动补偿能力、在线校准、自诊断、数据处理、双向通道、信息存储和记忆及数据输出等功能，减轻了蓄电池维护人员的劳动强度。

2 智能模块的组成及功能

蓄电池参数检测的智能模块由智能传感器、ARM及外围电路、提升电路、升压电路和CAN通讯电路等构成，主要用于单块蓄电池电压、温度、密度、液位的检测。该智能模块将1.2～3.0 V蓄电池电压升至所需的5 V、12 V、3.3 V、1.8 V电源，并将传感器模拟信号调理为数字信号，通过 CAN口传输数据。提升电路用于提升浮子，消除浮子上的气泡与杂质，提高密度检测精度。

3 智能模块的硬件设计

智能传感器是由传统的传感器和微处理器相结合而构成的，它充分利用微处理器的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理。温度传感器为数字式传感器，通过单总线与微处理器相连传送数据。液位传感器为浮球式传感器，输出开关量信号至微处理器进行上、下液位的报警。密度传感器为压力桥接传感器，其信号经过数字化调节器、A/D转换成相应的数字信号后，送入微处理器中进行处理。

该智能模块电路图如图1所示。

图1 智能模块电路框图

3.1 智能模块电源电路

蓄电池智能模块的检测对象是端电压为2 V左右的铅酸蓄电池，由于每组蓄电池的数量较大，多达上百节，而我们的设计是一对一的检测。传统的供电解决方案是：将交流220 V按要求变换以后再对每个检测模块进行供电，该方案接线繁琐、结构复杂、成本高，在设备现场布线非常困难，而智能模块的设计只需一根 CAN总线即可解决上述问题。因为考虑到铅酸蓄电池本身就是一个直流电源，如果能从蓄电池直接取电，这将大大简化系统结构的复杂程度。但是蓄电池电压在1.5V到3V左右变换，这为设计带来了很大困难。通过大量试验及准确计算智能模块的功率要求，采用了二款直流升压芯片，将智能模块的输入电压升压到5 V及12 V，再将5 V通过稳压器稳压至微处理器所需的1.8 V、3.3 V，完全满足智能模块的电源设计要求，即使到了蓄电池放电末期，蓄电池电压降到 1.5左右时，智能模块仍可以稳定工作。智能模块电源框图如图2所示。

图2 智能模块电源框图

3.2 电压测量电路

为了高精度，高可靠地检测出蓄电池的电压信号，需要选用高质量的前置放大器, 低功耗(3 V时 1.5 mW)、宽电源电压范围、满电源幅度输出，使AD623成为电池供电应用的理想选择。在低电源电压下工作时.满电源幅度输出使动态范围达到最大。AD623可取代分立的仪表放大器设计，且在最小的空间内提供很好的线性度、温度稳定性和可靠性。

AD623是一个集成单电源、3路运放的仪表放大器。它能在单电源(+3V到+12V)下提供满电源幅度的输出。AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程。以得到更好的用户灵活性。且符合8引脚的工业标准引脚配置。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CMRR)而保持最小的误差。线路噪声及谐波将由于共模抑制比(CMRR)在高达200 Hz时仍保持恒定而受到抑制。AD623具有较宽的共模输入范围，它可以放大具有低于地电平150 mV共模电压的信号，可单电源或双电源工作，具有较高的CMRR和极低的电压漂移，除了一个控制可编程增益的外接电阻外，所有元件都集成在内部，提高了电路温度稳定度和可靠性。选用该器件可消除采用普通运放和外围电阻所引起的输出信号的温度漂移。

应用AD623的调理电路如图3。它可以采用单电源供电，外接电阻后其增益最高可达 1000倍，放大倍数与外接电阻的关系式为：G=l+100 kΩ／R 。在AD623的输入端接入 R1a 、R1b、Cla和 C1b是用来滤除无线电频率干扰(radio frequency interference，RFI)，其中 R1a与 R1b，Cla和C1b应分别相同。

图3 AD623调理电路

3.3 密度测量电路

智能模块的设计本着集成化、一体化、低功耗的原则。在传统的蓄电池检测系统中最难解决的当数密度检测。由于铅酸蓄电池的恶劣工作环境以及工作特性，到目前还没有一种完美的检测方法，以前应用中所采用的浮子法仍是目前技术条件下较好的方法。其原理是随着试件受力变形，使电阻值发生变化，而电阻变化是与试件应变ε成比例，公式为 ：

式中：L为应变梁中心至力的距离，b为应变区宽度，h为应变区厚度，E为应变梁材料弹性模量，其原理示意图如图4所示。

图4 浮子法原理示意图

但是该检测方法具有先天性的缺陷，就是检测精度会随着应变梁的特性改变而降低，易受温度的影响并且具有很大的失调和失调漂移，线性度也会变差。同时该密度检测方法的输出信号也非常微弱，通常为几个毫伏，极易受干扰。针对应变梁的漂移、线性度差等问题，首先从应变梁本身出发，增加应变片的厚度和浮子的体积，使传感器输出的信号尽可能大和稳定，此外，还需考虑电子校准和补偿。采用数字化调节器芯片，温度偏差和标度进行校准和补偿并对传感器信号进行线性化处理。模拟信号通道放大传感器的信号并且为零点、测量范围、零点漂移、测量范围漂移和线性误差提供数字校准，校准参数存储在外部非易失性的存储器中以避免手动微调并确保长时间的稳定性。该芯片的性能极大地弥补了浮子测量法本身的不足。大量的试验证明采用该芯片保证了测量精度，将误差控制在要求范围内，并可长时间稳定工作，无需校准。数字化调节器将应变梁的毫伏级信号放大到0～2.4 V范围内的电压信号，电压输出大小可以根据设计要求改动各个参数的大小，从而使输出满足设计要求，各种偏移量和增益大小都可以在器件的允许范围内进行改动，并且把计算后的参数烧写到可编程传感器调节器的外部EEPROM中，EEPROM通过I²C总线与可编程传感器调节器进行通讯，无需外部CPU进行任何的干预控制。

数字化调节器完成密度传感器信号的处理后，将放大整理后的电压信号送到CPU的AD口上，CPU芯片采用低功耗的ARM芯片。ARM自带10位AD端口，节省了外设AD芯片。ARM对电压信号进行采集，依据两点密度值对应的电压值计算出一条密度曲线（曲线也是上位机进行密度校准的基础）进行计算校准等。采用 ARM芯片为很多软件控制提供了平台。为了进一步提高密度测量精度，我们为密度传感器安装了提升装置步进电机。该提升装置可以消除气泡与杂质对测量精度的影响。该提升装置的转动采用自动控制方式，由软件根据电池的各项参数变化特征对步进电机进行控制。

3.4 温度、液位测量电路

温度传感器采用数字式传感器，该传感器自带I²C总线，ARM也带有I²C接口，因此该温度传感器可以直接挂到 ARM芯片上，使得设计简单、可靠。液位传感器采用开关式传感器，直接通过ARM的I/O进行观测。

3.5 硬件的抗干扰设计

在本设计所应用的场合中，产生电磁信号的设备较多，包括超短波设备、音频设备、电源等，因此抗干扰显示尤其重要。主要采取了以下措施：

（1）为了进一步提高CAN总线节点的抗干扰能力，保证各节点之间在电气上是完全隔离和独立的，ARM的TX0和RX0分别通过高速光耦与TJA1050的TXD的RXD相连。应该特别说明的是，光耦部分电路所采用的两个电源必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离采用小功率电源隔离模块。电路虽复杂一些，但是却提高了节点的稳定性和安全性。

（2）在CAN总线的两端加有两个120 Ω的电阻，这两个电阻对于总线阻抗的匹配起着相当重要的作用。去掉它们会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法通信。

（3）CANH和CANL与地之间并联了两个30 pF的小电容，可以滤除总线上的高频干扰并且具有一定的防电磁辐射的能力；在两根 CAN总线接入端之间并入了TVS管，当CAN总线窜入电压干扰时可通过 TVS管的短路起到一定的过压保护作用[2]。

（4）在硬件设计上采用了“看门狗”电路，该电路用来监视主程序的运行状态，当主程序因干扰陷入死循环，且运行时间超过“看门狗”电路规定的延时要求时，电路便发出复位信号，将ARM单片机的主程序纳入正常的运行状态，以保证智能模块在任何条件下都能稳定可靠地工作，提高了抗干扰能力。

（5）为了减小现场对节点的干扰，采用屏蔽双绞线。

4 智能模块的软件设计

智能模块软件主要包括数据采集与处理软件和CAN总线通信软件。

数据采集与处理软件主要是对‘检查电池’的电压、密度、温度及高低液位信号进行采样与计算，并将采集到的数据进行处理，涉及到数据滤波、信号补偿等，然后在 ARM单片机控制下将数据传送到CAN控制器发送缓冲区。

CAN总线通信是根据CAN2.0B协议进行的，CAN通信协议的实现，包括各种通信帧的组织发送，由集成在CAN控制器中的电路来实现。CAN总线通信软件主要包含 CAN控制器的初始化、CAN总线数据的接收和发送程序。

5 结束语

随着计算机网络技术、现场总线技术、微处理器技术的发展，蓄电池参数的检测由人工手动检测发展到分布式多点自动检测，将逐步被现场总线检测系统所取代。针对蓄电池密度、温度、电压检测的精度要求高、维护方便、干扰因素复杂的问题，设计采用将智能模块作为独立的个体和各单体蓄电池安装在一起，通过 CAN总线与微控制器相连，结构简单，易于制造和安装、维修方便，制造和运行成本低，并可尽早发现电池的缺陷，以使其得到及时处理，达到延长蓄电池寿命和提高蓄电池的可靠性的目的。智能模块已通过了长达2000 h的可靠性模底试验，运行稳定、可靠，精度满足要求。

[1]周立功等. ARM 嵌入式系统基础教程. 北京: 北京航空航天大学出版社,2006

[2]饶运涛, 邹继军, 郑勇芸. 现场总线CAN原理与应用技术. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2003.