基于ARM的無人值守地震臺站蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要： 介紹一種以ARM芯片為微處理器的地震臺站蓄電池遠距離在線實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，同時采用專門用于監(jiān)測電池的智能型專用芯片DS2438和LEM的智能蓄電池傳感器Sentinel、電流傳感器兩套采集系統(tǒng)，對電池的溫度、電壓、電流和剩余電量等參數(shù)的采集，大大簡化了硬件電路的設計。系統(tǒng)采用模塊化的設計結(jié)構能使系統(tǒng)更加可靠、簡單和實用。通信系統(tǒng)采用4G（LTE）無線通信技術實現(xiàn)與省局前兆中心遠程通信和監(jiān)控，實現(xiàn)對無人值守的地震臺站蓄電池的遠距離在線實時監(jiān)測。 結(jié)果表明，該系統(tǒng)很好地達到了預期目標。

關鍵詞： ARM； DS2438； Sentinel； 4G（LTE）

中圖分類號： TN06?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0129?03

我省前兆無人值守臺站數(shù)量眾多，儀器供電裝置一直比較落后，裝置簡單，多次出現(xiàn)蓄電池虧電造成儀器停測的故障，甚至造成儀器損壞。本項目通過對河北省地震前兆臺網(wǎng)無人值守臺站儀器電源管理系統(tǒng)模塊化及電源供電遠程監(jiān)控的設計開發(fā)，實現(xiàn)通過遠程監(jiān)控，將全省各個無人值守臺站的電源狀態(tài)及時反饋到省局前兆臺網(wǎng)中心，進行及時監(jiān)控，做到儀器設備電源供電系統(tǒng)故障前早預警、早干預，及時有效的確保地震觀測儀器穩(wěn)定可靠的連續(xù)運行。

1 工作原理

依據(jù)蓄電池的主要性能參數(shù)，利用DS2438芯片的智能電池監(jiān)測系統(tǒng)和LEM的智能蓄電池傳感器Sentinel、電流傳感器對儀器的供電方式和電池的電壓、電流、溫度、剩余電量進行監(jiān)測，通過RS 232總線通信的方式把采集的數(shù)據(jù)送到ARM芯片進行分析處理，處理完的數(shù)據(jù)經(jīng)過地震前兆數(shù)據(jù)采集器送到上位機，進行人機交互顯示并通過4G（LTE）無線通信技術把處理完成的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞【智罢字行膹亩鴮崿F(xiàn)遠距離在線實時監(jiān)測功能。

2 硬件系統(tǒng)方案設計

依據(jù)蓄電池的相關參數(shù)[1]的研究，溫度、充放電電壓、電流對于鉛酸蓄電池的性能都有很大的影響，欠壓或過壓都很可能導致蓄電池的損壞，放電電流過載也會對蓄電池的壽命造成嚴重的影響，鉛酸蓄電池的各個參數(shù)之間的關系較為復雜，無法從單一的參數(shù)中確定蓄電池的運行狀態(tài)。因此，本課題通過基于一種智能化的全新的電源管理系統(tǒng)模塊化及遠程監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

整個蓄電池管理系統(tǒng)總體設計方案主要由5部分組成：

（1） 微處理器模塊。完成整個硬件電路的控制和模塊間的通信功能，包括將數(shù)據(jù)采集單元的模擬數(shù)據(jù)送入地震前兆數(shù)據(jù)采集器；完成采集單元和數(shù)采的參數(shù)協(xié)議轉(zhuǎn)換；連接數(shù)采對外充電電源接口與控制充放電開關單元，實現(xiàn)對蓄電池組的充電功能。

（2） 蓄電池數(shù)據(jù)采集模塊。包括電壓采集單元的設計，主要完成如下功能：是采集蓄電池電極間電壓參數(shù)，通過對電壓的監(jiān)測，來準確判斷蓄電池的充放電狀態(tài)，蓄電池的運行狀態(tài)。

（3） 充放電開關控制模塊[5]。完成地震前兆數(shù)據(jù)采集器對蓄電池充電和蓄電池對地震前兆儀器供電功能，實現(xiàn)對蓄電池的充放電智能保護。

（4） 地震前兆數(shù)據(jù)采集器。完成前兆臺網(wǎng)對蓄電池運行性能的實時監(jiān)控。

（5） 通信模塊。通過4G無線網(wǎng)絡實現(xiàn)與省局前兆地震中心的通信和在線監(jiān)測功能。

2.1 微處理器模塊

微處理器模塊主要采用ARM7結(jié)構的LPC2103作為主控制器，該控制器是一種32位的ARM7 TDMI?S微控制器，最高工作速度可達70 MHz，32 KB的片內(nèi)FLASH程序存儲器和8 KB的片內(nèi)靜態(tài)RAM。主要由最小系統(tǒng)、復位電路、與電壓電流內(nèi)阻等采集模塊的通信接口[3?4]，上位機接口等組成如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

采用是DALLAS公司的電池監(jiān)測芯片DS2438，只有一根雙向數(shù)據(jù)線，為了跟LPC2103芯片總線連接，通過一個三極管和兩個隔離器把一個雙向數(shù)據(jù)線改成兩根總線然后連接到ARM芯片LPC2103總線的P0.0和P0.1管腳，內(nèi)含數(shù)字溫度傳感器可直接測量電池溫度；片內(nèi)A/D可進行電池電壓監(jiān)測，可判定充電和放電的狀態(tài)；片內(nèi)的積分電流累加器可實時記錄電池流入、流出電流的總量[5?6]，便于計算剩余電量；具體采集電路設計如圖3所示。

為了保證數(shù)據(jù)采集的準確性和可靠性同時也采用LEM公司的Sentinel智能電池傳感器對單個電池的電壓，溫度和內(nèi)阻測量，通過專屬總線S?BUS傳送給數(shù)據(jù)記錄器S?BOX，電流傳感器對電池的充電，放電或者浮充狀態(tài)檢測，檢測系統(tǒng)如圖4所示。

2.3 通信模塊

通信模塊功能一是實行微處理器與地震前兆數(shù)據(jù)采集器的通信，二是實現(xiàn)上位機與地震前兆數(shù)據(jù)采集器的通信同時利用4G無線移動通信技術實現(xiàn)與地震前兆中心的遠距離在線監(jiān)測功能，使用中興公司的4G（LTE）通信模塊ME3760，它是一款Mini PCI?E接口的LTE 模塊，支持LTE TDD band38（2.6 GHz），band39（1.9 GHz），band40（2.3 GHz）； LTE FDD band7（2.6 GHz），向下兼容TD?SCDMA A頻段（2.1 GHz）和F頻段（1.9 GHz）以及GSM 900 MHz，GSM 1 800 MHz，支持最大100 Mb/s，50 Mb/s的理論上下行數(shù)據(jù)傳輸速率，分別在無人值守的臺站和省局前兆中心電腦上裝ME3760 ，可實現(xiàn)4G無線通信。

3 軟件設計

軟件的設計采用模塊化，即主模塊的軟件設計和子系統(tǒng)的軟件設計，主模塊軟件主要完成對LPC2103的系統(tǒng)初始化、電池參數(shù)的采集、地震前兆數(shù)據(jù)采集器的通信接口程序設計、參數(shù)的分析處理和控制，電池異常判斷等功能，設計流程及其程序代碼如圖5所示。

電池參數(shù)采集程序設計主要有電池電壓采集子程序、電流采集子程序、溫度采集子程序和內(nèi)阻采集子程序等組成，其中電壓采集程序流程如圖6所示。

4 結(jié) 語

本項目新型鉛酸蓄電池智能管理系統(tǒng)的設計，依托現(xiàn)有地震前兆數(shù)據(jù)采集器平臺開發(fā)智能化的蓄電池管理系統(tǒng)，具有成本低，及時監(jiān)控，有效預警，安全可靠的特點。大大節(jié)約了財力和人力，并在地震前兆臺網(wǎng)無人值守臺站儀器電源管理系統(tǒng)中得到了應用，具有很好的應用價值和經(jīng)濟價值。

參考文獻

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[2] 田永盛.一種單片機控制的鉛酸蓄電池充電電源[J].電子設計工程，2011（3）：48?49.

[3] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[4] 陳貴峰.基于ARM9的蓄電池管理系統(tǒng)研究[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學，2011.

[5] 李立偉，鄒積巖.蓄電池在線檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電工技術，2002（11）：7?9.

[6] 孫步勝，孫延春.基于單片機MSP430 的蓄電池監(jiān)測儀[J].儀表技術與傳感器，2007（7）：15?16.