新型移動(dòng)通訊基站蓄電池組管理系統(tǒng)

邱望標(biāo)， 胡鵬飛， 徐蘇恒

（貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003）

0 引言

電訊業(yè)的飛速發(fā)展，使得更多的移動(dòng)通訊基站需要穩(wěn)定和高效的蓄電池管理系統(tǒng)，對(duì)其直流后備電源進(jìn)行管理和維護(hù)。與普通以蓄電池作為直流電源的系統(tǒng)不同，移動(dòng)通訊基站要求更高的可靠性和更低的維修率。最重要的要求是在惡劣的環(huán)境下也能正常工作，特別是 08年發(fā)生凝凍天氣后，通訊基站蓄電池組的管理和維護(hù)工作再次被重視起來(lái)。除天氣影響外還有地形因素，中國(guó)有廣大的地區(qū)是屬于山區(qū)，在山區(qū)建造移動(dòng)通訊基站對(duì)無(wú)人值守和智能管理要求很高。因此研制適合現(xiàn)代移動(dòng)通訊基站的蓄電池組智能管理系統(tǒng)的意義十分重大。

1 均充方法簡(jiǎn)介

目前通訊基站所用直流電源是由多只蓄電池串聯(lián)而成的一組蓄電池系統(tǒng)，其所配充電機(jī)及電池保護(hù)系統(tǒng)只對(duì)整組電池進(jìn)行充電和保護(hù)，只能保證在使用過(guò)程中整組電池的總電壓值不高于發(fā)生過(guò)充電的最高電壓值及不低于發(fā)生過(guò)放電的最低電壓值。但由于單只蓄電池的內(nèi)阻、自放電、容量等性能的不均勻性，在使用過(guò)程中，特別是在極限電壓使用時(shí)，個(gè)別蓄電池會(huì)發(fā)生過(guò)充電或過(guò)放電的情況，時(shí)間一長(zhǎng)，這些電池就會(huì)提前損壞，損壞后的電池又會(huì)影響其他蓄電池，從而造成整個(gè)蓄電池組的過(guò)早損壞。

本系統(tǒng)采用的均充管理方法其實(shí)質(zhì)是使用微控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的充放電參數(shù)順序?qū)π铍姵亟M中的單只蓄電池的電壓參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)并充放電。每次微控制器只對(duì)一支蓄電池的端電壓參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，如果需要充電（低于設(shè)定值）則對(duì)其進(jìn)行充電，否則將當(dāng)前電池?cái)嚅_(kāi)，對(duì)下一支進(jìn)行檢測(cè)并判斷是否需要充電，重復(fù)這一過(guò)程直到檢測(cè)完全部蓄電池，即完成一個(gè)工作循環(huán)。同樣，在放電時(shí)微處理器也采用同樣的方法進(jìn)行管理。這種分支分時(shí)均勻充放電的方法能保證蓄電池組中單支蓄電池不會(huì)發(fā)生過(guò)充電以及過(guò)放電的同時(shí)，又能保證整組蓄電不會(huì)發(fā)生過(guò)充電及過(guò)放電，從而提高蓄電池組容量的有效利用率及單只蓄電池的使用壽命。

2 蓄電池組充放電管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以ATmega16L單片機(jī)為控制芯片，其豐富的片內(nèi)資源極大地簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)。該芯片封裝了16 kB的在線可編程（ISP）Flash程序存貯器；共有32個(gè)可編程的I/O口；8路10位ADC；1個(gè)可編程、增強(qiáng)型全雙工，支持同步/異步通信的串口 USART；芯片還集成了上電復(fù)位、欠壓檢測(cè)和看門(mén)狗電路等等。此外，低耗能也是ATmega16L的一大特點(diǎn)，ATmega16L工作在1 MHz、3 V、25°時(shí)的典型功耗僅為1.1 mA[1-2]。

2.1A/D轉(zhuǎn)換電路

ATmega16L內(nèi)部集成了一個(gè) 8路 10位逐次比較（Successive Approximation）ADC電路，已經(jīng)達(dá)到并超過(guò)了本系統(tǒng) 0.05 V的電壓測(cè)量精度要求，因此，本系統(tǒng)采用ATmega16L的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

ADC轉(zhuǎn)換的參考電源采用芯片內(nèi)部的2.56 V參考電源，所以必須通過(guò)在AREF引腳外部并接一個(gè)電容來(lái)提高ADC的抗噪性能，并且在AVcc引腳外部并聯(lián)一個(gè)電容來(lái)提高AVcc的穩(wěn)定性。在本系統(tǒng)中，所有蓄電池的電壓檢測(cè)電路都連接到ATmega16L內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換接口PA7（可用PA0-7,本系統(tǒng)用的是PA7）。

2.2 擴(kuò)展電路與繼電器驅(qū)動(dòng)電路

由于移動(dòng)基站蓄電池支數(shù)較多，為了節(jié)省單片機(jī)的管腳資源，本系統(tǒng)由ATmega16L的4個(gè)I/O口（PC0-3）和兩片74LS154組成管腳擴(kuò)展。兩片74LS154的作用是將4個(gè)I/O口擴(kuò)展成32個(gè)I/O口。根據(jù)基站蓄電池的實(shí)際支數(shù)，本電路只用了其中的24個(gè)I/O口。

出于對(duì)高集成度和高穩(wěn)定性的要求，本系統(tǒng)的電子元件盡量使用集成芯片，因此本系統(tǒng)對(duì)繼電器的控制不采用三極管加續(xù)流二極管的方式，而采用專(zhuān)用的繼電器驅(qū)動(dòng)芯片——ULN2803，直接控制12 V微型繼電器。

2.3 光耦隔離放大電路

為了不將系統(tǒng)中的噪聲引入A/D轉(zhuǎn)換電路中，必須將噪聲信號(hào)與單片機(jī)隔離開(kāi)來(lái)。線性模擬光藕HCNR201正好能滿足這一要求，同時(shí)在電壓的測(cè)量精度上還具有很高的精度。

HCNR201的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1所示包括一只高性能的AlGaAs型發(fā)光二極管(圖1中的LED),兩只極其相似的光電二極管(圖1中的PD1和PD2),當(dāng)LED中流過(guò)電流IF時(shí),其所發(fā)出的光會(huì)在PD1,PD2中感應(yīng)出正比于LED發(fā)光強(qiáng)度的光電流和，其中,和滿足以下關(guān)系：

式中 K1,K2分別為輸入輸出光電二極管的電流傳輸比，其典型值均為0.5%左右。K被定義為傳輸增益，而且是一個(gè)固定的值了，HCNR201的K值約為1±0.05。再加上PD1,PD2的安裝位置的精確性以及元件先進(jìn)的封裝設(shè)計(jì)保證了 HCNR201的高線性和增益的穩(wěn)定性。

圖1 HCNR201結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的光耦隔離放大電路主要由三部分組成。第一部分是精密電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和第一級(jí)運(yùn)放，其中第一級(jí)運(yùn)放做電壓跟隨器。第二部分是第二級(jí)運(yùn)放它通過(guò)HCNR201組成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。第三部分是第三級(jí)運(yùn)放它將電流轉(zhuǎn)換成電壓。

以上運(yùn)放都是選用的高精度運(yùn)放LMV358。除以上核心功能電路以外，本系統(tǒng)還有電源電路、液晶顯示電路、在線編程（ISP）電路和串行通信（USART）電路等一些功能電路。

光耦隔離后的電壓通過(guò)ATmega16L內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換后，由LCD1602液晶實(shí)時(shí)顯示出當(dāng)前蓄電池的電壓值。該液晶的數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)接到 ATmega16L的 PB口，控制端分別接到ATmega16L的 PD4-6。ISP電路采用標(biāo)準(zhǔn)的十芯接口，與ATmega16L的MISO、MOSI、SCK和RESET引腳相接，其余接電源和數(shù)字地[2-6]。有了ISP電路就可以方便地對(duì)ATmega16L編程，實(shí)現(xiàn)在線修改系統(tǒng)程序的功能。USART電路是最常用的串行通訊接口電路，用以實(shí)現(xiàn)從 PC機(jī)讀取系統(tǒng)數(shù)據(jù)的功能，還可以配合PC上其他軟件完成更高級(jí)的功能。

3 蓄電池組管理系統(tǒng)電路軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件功能分為在線編程（ISP）模塊、循環(huán)檢測(cè)模塊以及 AD轉(zhuǎn)換、串行通信（USART）、液晶顯示等幾個(gè)部分。由于整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖較為復(fù)雜，本文將其分為三個(gè)部分，如圖2、下頁(yè)圖3、下頁(yè)圖4所示。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理不同種類(lèi)電池充放電的設(shè)計(jì)要求，在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)（如充放電電壓、AD轉(zhuǎn)換的線性度、液晶顯示內(nèi)容與格式等）便于修改和調(diào)節(jié)。

圖2 充放電功能選擇程序流程

圖3 充電功能程序流程

圖4 放電功能程序流程

本系統(tǒng)軟件關(guān)鍵部分為循環(huán)檢測(cè)和 AD轉(zhuǎn)換模塊。下面給出相關(guān)部分的程序，編譯環(huán)境為ICCAVR[7]。

AD初始化函數(shù)

本程序由11個(gè)函數(shù)組成，但是只占用了17%的FLASH程序存貯器，還有足夠的空間用于健壯程序，增強(qiáng)系統(tǒng)。而且程序預(yù)留的程序接口也較為豐富，程序留有7個(gè)ADC和兩個(gè)外部中斷接口的程序函數(shù)，可以測(cè)量更多參數(shù)，如電流、溫度、濕度等等，為今后優(yōu)化系統(tǒng)和升級(jí)系統(tǒng)留有足夠的空間。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的成功研制對(duì)于提高現(xiàn)代通訊移動(dòng)基站的蓄電池組的智能管理水平有重要意義?；诒驹O(shè)計(jì)的蓄電池組智能管理系統(tǒng)已在貴州省平塘供電局試運(yùn)行，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，試驗(yàn)性能可靠，較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)功能。同時(shí)，通過(guò)在線編程（ISP）修改軟件中相應(yīng)的設(shè)定值，本系統(tǒng)不僅可以管理不同節(jié)數(shù)的電池組充放電過(guò)程，而且兼容如鉛酸、鎳鉻、鋰離子等不同品種的電池，具有一定的推廣價(jià)值。

[1] 李勇,邢文凱.通信穩(wěn)壓電源中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2008,41(08):213-214.

[2] 馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007:12-13.

[3] 吳坤君，雷宏江，李強(qiáng).通信電源設(shè)備的可靠性分析[J].通信技術(shù)，2008,41(03):126-128.

[4] 劉欣，鄭建宏.基于ARM9的SD/MMC卡控制器的ASIC設(shè)計(jì)[J]通信技術(shù),2008,41(08):38-40.

[5] 馬潮.ATmega8原理及應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:9-22.

[6] 金春林.AVR系統(tǒng)單片機(jī)C語(yǔ)言編程與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社,2003:11-13.

[7] 丁化成,耿德根,李君凱.AVR單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004:22-23.