一體化電源智能采集終端的研究與實現(xiàn)

劉春成，賀洪江

（1.河北工程大學 信息與電氣工程學院，邯鄲 056038；2.河北工程大學 裝備制造學院，邯鄲 056038）

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進步，智能電網(wǎng)高速發(fā)展，作為智能電網(wǎng)的補充，智能一體化電源已成為新一代工礦企業(yè)供配電必然的發(fā)展趨勢。在控制過程自動化及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的同時，數(shù)據(jù)的傳輸量越來越大，對數(shù)據(jù)傳輸實時性要求也越來越高。本設(shè)計采用集成CAN控制器的高性能STM32F103VCT6作為采集終端的微處理器，使用高速集成82C250作為CAN收發(fā)器，設(shè)計一體化電源的數(shù)據(jù)采集終端[1]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由上位機和采集終端2部分組成。采集終端將采集到的模擬量通過STM32自帶的AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，信號經(jīng)過STM32處理，上位機接收到采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)判斷電池組狀態(tài)，超出閾值，系統(tǒng)報警；正常，繼續(xù)接收。

圖1 監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Monitor system structure diagram

現(xiàn)場電網(wǎng)正常時，供電電路中超級電容作為儲能元器件；電網(wǎng)故障時，超級電容放電，終端繼續(xù)工作，最長可維持工作時間100 s[2]。

采集終端采用CAN總線與上位機通信。將實時交直流電壓、電池溫度等信息傳至上位機。上位機可以對實時電壓、溫度等數(shù)據(jù)進行查詢。發(fā)生異常時，終端將故障電池物理連接切換到備用電池組。

2 終端電路設(shè)計

如圖2所示，該采集終端由STM32微控制器、AD控制器、外部電源、接觸器、液晶顯示、撥碼開關(guān)、CAN控制器組成。撥碼開關(guān)對CAN總線傳輸速率進行選擇；液晶屏顯示交直流的實時電壓及電池溫度；CAN總線模塊實現(xiàn)與上位機通信；接觸器控制各電池節(jié)點的通斷。

圖2 采集終端結(jié)構(gòu)Fig.2 Collection terminal structure

2.1 供電電路設(shè)計

現(xiàn)場電路工作正常時，處理器采用220 V交流經(jīng)LA5-220S05ACDC電源模塊轉(zhuǎn)換成直流供電。供電電路如圖 3 所示，C1，C41，L1，L2為電流感應(yīng)器，當電壓驟降、驟升時，起抑制作用，防止劇烈波動；R100限制C401充電電流；C401作為晃電時持續(xù)為控制器供電的電源，最長供電時間可達100 s，保證電源切換過程中數(shù)據(jù)采集不中斷。

圖3 供電電路設(shè)計Fig.3 Power supply circuit design

2.2 采集電路設(shè)計

目前交直流一體化電源系統(tǒng)中對蓄電池的管理主要是監(jiān)測其總電壓及故障報警。因此當監(jiān)控中心收到報警信號時，不能對哪只電池出現(xiàn)問題、故障原因做出判斷。本系統(tǒng)對該方面做了改進：終端將電池溫度、單體電壓直接通過CAN總線上傳至上位機，監(jiān)控中心對所有電池組工作狀況進行實時監(jiān)控。

在線精確測量蓄電池組單蓄電池電壓一直是檢測的難點，12 V電池組由6塊2 V電池串聯(lián)組成，常規(guī)電阻分壓法、浮動地測量法，都存在精度低、抗感染能力差的缺點。由于測量時存在有用的差分信號同樣又有共模干擾信號，為了能夠抑制共模信號的影響，采用差分放大電路處理VADC[3]，根據(jù)運放特性，得到輸入輸出信號的關(guān)系：

蓄電池組由6節(jié)2 V蓄電池串聯(lián)組成，輸出12 V。終端采用差分放大電路對2 V左右的小信號進行采集。電路中C202可以濾除輸入端干擾信號；D1，D2保護運放輸入端；由于是差分放大電路，所以電路上下電阻對稱，即R51=R52，R54=R53；適當調(diào)整 R51，R52，R53，R54這4個電阻的大小就可得到需要的放大倍數(shù)。如圖4所示。

圖4 采集單蓄電池電壓Fig.4 Collection of single battery voltage

終端采用電壓型精密互感器TV1013-2Z將220 V按照線性比例轉(zhuǎn)換到0～3.3 V的電壓信號識別范圍，經(jīng)濾波電路和運放構(gòu)成的電壓跟隨電路，實現(xiàn)阻抗匹配后再將調(diào)理后的電壓信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電壓采集電路如圖5所示。

圖5 交流電壓采集原理Fig.5 AC voltage acquisition

2.3 CAN總線硬件設(shè)計

CAN收發(fā)器采用PCA82C250，電路中采用光電耦合器電氣隔離，防止網(wǎng)絡(luò)因故障燒毀主控芯片。PCA82C250是一款高速CAN收發(fā)器芯片，兼容ISO/DIS 11891標準，具有接口簡單、體積小、性能可靠的優(yōu)點。該模塊的主要功能是將邏輯電平轉(zhuǎn)換為差分電平。CAN總線傳輸差分信號，為防止因電阻匹配問題引起的信號反射，在網(wǎng)絡(luò)的兩端加上120 Ω的終端電阻。如圖6所示。

圖6 CAN總線電路原理Fig.6 CAN bus circuit principle diagram

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計決定采集終端的穩(wěn)定性、采集精確度以及工作速度。軟件設(shè)計包括采集終端主程序、CAN協(xié)議。

3.1 主程序設(shè)計

主控制程序包括AD模塊、中斷模塊、定時器模塊初始化、故障判斷及采集誤差的處理算法等。控制器根據(jù)采集數(shù)據(jù)判斷電池工作狀態(tài)，如圖7所示。

3.2 CAN協(xié)議

CAN協(xié)議已成為工業(yè)控制領(lǐng)域標準通信協(xié)議之一，通過該協(xié)議，可以把不同廠商的設(shè)備組網(wǎng)，實現(xiàn)集中控制。

標準CAN協(xié)議有標準幀和擴展幀2種工作模式，終端采用CAN2.0B標準幀格式。幀格式如表1所示。CAN標準幀信息為11個字節(jié)，包括信息和數(shù)據(jù)2部分，前3個字節(jié)為信息部分，后8個字節(jié)為數(shù)據(jù)部分[4]。

圖7 軟件流程Fig.7 Flow chart of software system

表1 CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)Tab.1 CAN protocol frame structure

規(guī)定主機地址為0x01，送達切斷故障切除指令為0x0b。當發(fā)送數(shù)據(jù)位前4位為0xFF 0xFF 0xFE 0xFF，后3位為0xFF 0xFE 0xFF時，為命令字。

如主機需要1號模塊（地址為0x02）切除控制區(qū)域內(nèi)故障電池連接，則：主機發(fā)送：0x02 0x08 0x000xFF0xFF0xFE 0xFF0x0b0xFF0xFE 0xFF。此時終端接收到上位機發(fā)送的命令字0x0b后切除與故障電池物理連接。故障排除后，終端返回信息0x01 0x08 0x00 0xFF 0xFF 0xFE 0xFF 0x00 0xFF 0xFE 0xFF上位機接收到終端發(fā)送的信息，0x00表示程序執(zhí)行完畢，故障排除。同時將接觸器狀態(tài)信息一同送達上位機。

通過CAN調(diào)試助手的性能測試，結(jié)果如表2所示，數(shù)據(jù)傳輸正確率達到99.97%，滿足實際應(yīng)用要求。

表2 通信性能測試Tab.2 Communication performance test

4 實驗結(jié)果及分析

實驗中，隨機抽取了正在充電的2個電池組，在同等環(huán)境下采用萬用表和高精度溫度計檢測的數(shù)據(jù)作為實際測量值。選取的2組電池數(shù)據(jù)與其進行對比，如表3各個電池電壓和溫度。測試結(jié)果表明電池電壓的最大測量誤差為1.59%，溫度的最大測量誤差為2.23%，其測量誤差在3%以內(nèi)，屬正常范圍，達到現(xiàn)場應(yīng)用要求。

表3 電壓溫度采集實驗結(jié)果Tab.3 Voltage temperature collection and the experimental results

5 結(jié)語

本設(shè)計以STM32為控制核心，解決了傳統(tǒng)的一體化電源數(shù)據(jù)采集終端處理速度慢、測量精度低、并行處理能力差的問題。通過CAN總線與上位機組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與抗干擾能力顯著提高。經(jīng)測試，終端運行穩(wěn)定、實時性好、準確性高、抗干擾能力強，可以投入實際應(yīng)用。

[1]郭永鋒.CAN總線與RS-485總線的技術(shù)優(yōu)勢對比[J].中國新通信，2012（15）：47-48.

[2]王楠楠，劉春英.基于STM32的低壓電機再啟動控制器設(shè)計[J].自動化與儀表，2014，29（7）：69-72.

[3]林立南.一種新型電池組單體電池電壓檢測方法[J].傳感器世界，2010，16（10）：18-20.

[4]張猛，姚列英，王英翹.基于CAN總線技術(shù)的PSM電源遠程控制通信系統(tǒng)[J].核聚變與等離子體物理，2015（1）：24-29.