機(jī)車輔助供電系統(tǒng)狀態(tài)在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐小飛

（武漢鐵路局 江岸機(jī)務(wù)段，武漢430010）

免維護(hù)鉛酸蓄電池在鐵路機(jī)車上已運(yùn)用多年，它作為機(jī)車控制電路的后備電源，主要為起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)和電力機(jī)車升弓受流前的準(zhǔn)備工作提供電流，同時(shí)也為機(jī)車控制電路主電源故障時(shí)提供后備電源，是確保機(jī)車各項(xiàng)設(shè)備正常運(yùn)行的一道防線。因此利用蓄電池檢測(cè)技術(shù)研制蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)，定期測(cè)試蓄電池組的工作狀態(tài)和實(shí)際容量，建立相應(yīng)的管理維修檔案，及時(shí)找出故障電池，對(duì)確保機(jī)車的正常運(yùn)用具有十分重要的意義。

1 機(jī)車輔助供電系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)方法概述

目前，各機(jī)務(wù)段普遍采用萬(wàn)用表測(cè)量蓄電池組或單體端電壓，通過電壓高低來(lái)判別蓄電池的狀態(tài)。大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，端電壓與電池容量關(guān)系并不大，端電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，其容量可能很低，也就是我們常遇見的蓄電池組加上負(fù)載，端電壓急劇下降的現(xiàn)象，單純通過電壓高低是不足以判別電池性能的好壞。而用傳統(tǒng)的充放電方式雖然可以較準(zhǔn)確地測(cè)得蓄電池的容量，但此方法不僅消耗大量的人力和時(shí)間，而且浪費(fèi)大量的電能。同時(shí)，頻繁地對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電，會(huì)產(chǎn)生硫酸鉛沉淀，導(dǎo)致極板硫化，容量下降。針對(duì)上述問題，我們提出基于dV/dt方法，即通過電壓差與時(shí)間差的比值來(lái)檢測(cè)蓄電池的工作狀況，利用高性能微控制器在線檢測(cè)蓄電池狀態(tài)。

2 機(jī)車輔助供電系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)體系架構(gòu)

機(jī)車輔助供電系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要由上位機(jī)分析軟件、電池狀態(tài)測(cè)試主控制器、采集控制器和采集節(jié)點(diǎn)等組成。采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)定時(shí)采集蓄電池電壓差，并通過近距離無(wú)線傳輸ZigBee技術(shù)將采集節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)傳輸給采集控制器。采集控制器通過ZigBee技術(shù)收集采集節(jié)點(diǎn)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并對(duì)采集進(jìn)行控制，如初始化和參數(shù)配置，使系統(tǒng)更能適應(yīng)具體的環(huán)境。采集控制器通過CAN總線上傳給主控制器存儲(chǔ)，并接受主控制器的控制。主控制器是系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)配置系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)和收集機(jī)車全部蓄電池的采集數(shù)據(jù)予以存儲(chǔ)，并且經(jīng)由USB連接上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)分析軟件將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出蓄電池狀態(tài)及狀態(tài)變化趨勢(shì)，由打印機(jī)輸出報(bào)表交相關(guān)人員進(jìn)行處理，并且將數(shù)據(jù)和分析結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，供以后查詢。系統(tǒng)組成如圖1。

圖1 機(jī)車輔助供電系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 芯片選型

主控制器采用意法半導(dǎo)體32 bit增強(qiáng)型和低功耗的RISC單片機(jī)STM32F103，具有Cotr-texTM-M3內(nèi)核和單周期的硬件乘法和除法指令[1]。

采集控制器和采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式為無(wú)線傳輸，故采用基于ZigBee協(xié)議的芯片CC2430。CC2430 芯片整合了ZigBee 射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它包含一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8 bit 8051微控制器內(nèi)核，具有8倍的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的性能。CC2430集成了用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)。1個(gè)AES協(xié)處理器被集成在CC2430，以支持IEEE802.15.4 MAC 安全所需的（128 bit關(guān)鍵字）AES的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)盡可能少的占用微控制器。它還包含4個(gè)定時(shí)器：1個(gè)16 bit MAC定時(shí)器，用以為IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定時(shí)以及為IEEE802.15.4的MAC層提供定時(shí)。1個(gè)一般的16 bit和2個(gè)8 bit定時(shí)器，支持典型的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能，例如，輸入捕捉、比較輸出和PWM功能。CC2430內(nèi)集成的其他外設(shè)有：實(shí)時(shí)時(shí)鐘；上電復(fù)位；8通道，8～14 bitADC；可編程看門狗；2個(gè)可編程USART，用于主/從SPI或UART操作。CC2430芯片采用0.18μm CMOS 工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用[2]。

3.2 節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

主控制器電路原理接口如圖2，主要包含微控制器STM32F103、LCD模塊、JTAG調(diào)試模塊、SPI存儲(chǔ)模塊、USB模塊和CAN模塊。微控制器通過串口線與LCD模塊Sipex202E相連，減少了信號(hào)線，線路成本低并且抗干擾能力強(qiáng)。通過SPI總線方式與W25X32連接，微控制器工作在主機(jī)模式，W25X32工作在從機(jī)方式。STM32F103借助4線（TDI/TMS/TCK/TDO）與JTAG接口相連，便于在線調(diào)試。由于便于線下分析，將U盤作為轉(zhuǎn)儲(chǔ)介質(zhì)，借助微控制器自身的USB控制器，通過ESD器件USBLC6與USB接口連接，這樣做不僅節(jié)約成本，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的穩(wěn)定性，而且還增強(qiáng)系統(tǒng)的電磁兼容特性。主控制器與采集控制器的通信采用CAN總線通訊方式，這是因?yàn)樗臄?shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。STM32F103通過帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片CTM8251連接CAN接口。該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有DC 2 500 V的隔離功能和對(duì)電磁干擾具有很高的抗干擾性，能很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[3]。

圖2 主控制器電路原理接口圖

采集節(jié)點(diǎn)電路原理接口電路如圖3。微控制器CC2430F32通過RF_N和RF_P兩接口與巴倫連接。巴倫為平衡—不平衡轉(zhuǎn)換器，它負(fù)責(zé)在雙偶極子天線設(shè)計(jì)中將不平衡傳輸線轉(zhuǎn)化為平衡負(fù)載。由于采集節(jié)點(diǎn)供電為蓄電池。為了保證微控制器能正常工作，采用具有超低操作電流的穩(wěn)壓3.3 V、100 mA 低紋波充電泵TPS60210芯片，它的電池低壓警告引腳與CC2430F32的P1_0相連，供電開關(guān)與P1_1相連，而輸出引腳與芯片的DVDD1相連。采集電壓模塊整合了隔離保護(hù)功能，然后將電壓傳輸給控制器。

圖3 采集節(jié)點(diǎn)電路原理接口電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含主控制器、采集控制器和采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。采集節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集蓄電池電壓數(shù)據(jù)，輪詢是否收到采集控制器命令，收到后打包將數(shù)據(jù)通過無(wú)線方式發(fā)送給采集控制器。主控制器設(shè)置機(jī)車號(hào)和起始時(shí)間，輪詢發(fā)送命令給采集控制器，如果接收到數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，當(dāng)有異常數(shù)據(jù)時(shí)，報(bào)警提示。如果沒有接收到數(shù)據(jù)，繼續(xù)輪詢。當(dāng)檢測(cè)到U盤時(shí)，將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤，并清空存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際需要完成了機(jī)車輔助供電系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)和底層硬件的具體實(shí)現(xiàn)，較好地達(dá)到了預(yù)期目的。利用ZigBee低速率、低功耗、低成本和自配置的特點(diǎn)，可節(jié)省人力成本，將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

[1]STmicroelectronics.STM32F103xC/D/EDatasheet[EB/OL].http://www.st.com. 2009, 9.

[2]Texas Instruments.CC2430 Datasheet [EB/OL]. http://www.ti.com, 2005.

[3]周立功. CTM8251 Datasheet[EB/OL]. http://www.zlgmcu.com, 2009.