基于STM32的蓄電池檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 旦，孫 佳，杜靈根，李 俊

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基于STM32的蓄電池檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 旦，孫 佳，杜靈根，李 俊

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

蓄電池檢測系統(tǒng)是蓄電池質(zhì)量指標(biāo)中非常重要的一環(huán)，直接影響蓄電池的性能和壽命。本文介紹一種以STM32微處理器STM32F103RCT6為核心的鉛酸蓄電池高精度智能檢測系統(tǒng)，可以同時(shí)檢測電壓、溫度、液位，并根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算得到電解液密度，用戶在上位機(jī)完成測試參數(shù)設(shè)置，自動(dòng)對電池的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和報(bào)警。文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)組成、硬件和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明該檢測系統(tǒng)滿足實(shí)際需求。

蓄電池 STM32F103RCT6 檢測系統(tǒng)

0 引言

鉛酸蓄電池廣泛應(yīng)用于軍事、電力、交通、通信等領(lǐng)域。在現(xiàn)役潛艇電池和UPB系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池短時(shí)間內(nèi)無法被其他電源系統(tǒng)取代。為保證鉛酸蓄電池的性能、壽命和可靠性，需實(shí)時(shí)檢測控制蓄電池組內(nèi)部的工作狀態(tài)。因此，檢測設(shè)備是蓄電池系統(tǒng)中必不可少的一環(huán)。

雖然目前市場上鉛酸蓄電池檢測儀種類眾多，但大多數(shù)檢測參量少、檢測精度低且智能化程度低。因此，本文基于實(shí)際項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)了集成化、智能化、高精度的蓄電池檢測系統(tǒng)[1-3]。

1 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和組成

本系統(tǒng)采以計(jì)算機(jī)為核心、采用CAN總線通訊和智能化參數(shù)監(jiān)測模塊技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池參數(shù)的自動(dòng)巡回檢測和顯示，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理、充、放電參數(shù)監(jiān)視等功能。技術(shù)上比較先進(jìn)，功能擴(kuò)展方便，為以后實(shí)現(xiàn)蓄電池的綜合管理打下良好基礎(chǔ)。系統(tǒng)主要由工控機(jī)、智能采集模塊、電源模塊及線纜等組成，如圖1所示。工控機(jī)作為監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互載體，運(yùn)行基于Labview的電池參數(shù)監(jiān)控軟件，控制智能采集模塊，同時(shí)對智能采集模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對蓄電池組參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析電池組的工作狀態(tài)，對電池組狀態(tài)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)及與上級進(jìn)行信息交互，并對各類故障進(jìn)行報(bào)警和指示。智能參數(shù)檢測模塊采用模塊化插件結(jié)構(gòu)，具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)，能同時(shí)檢測電池的電壓、溫度、液面高度、充放電電流，進(jìn)行電解液密度計(jì)算、剩余電量估算(SOC)、健康態(tài)預(yù)測(SOH)，如圖2所示。電源模塊能智能轉(zhuǎn)換兩路電源AV220V和DC24V，從而保證了電源的可靠性[4]。

圖1 檢測系統(tǒng)總體框圖

圖2智能采集模塊框圖

2 電解液密度計(jì)算

電池電解液密度計(jì)算由電池充放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫開發(fā)和電解液密度計(jì)算算法獲取兩部分工作組成。

首先建立電池充放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)電池充放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)并提供數(shù)據(jù)檢索和分析功能，以便于提取電解液密度計(jì)算所需數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

根據(jù)電池充放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)，利用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行電池電解液密度計(jì)算。目前采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

最典型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是三層前饋網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱含層和輸出層組成。輸入層各神經(jīng)元對應(yīng)的輸入向量為：

x=(1,2,3)=()=1,···,m

其中，m為輸入樣本個(gè)數(shù)。根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算原理，首先按如下公式計(jì)算出隱含層各神經(jīng)元的輸入

式中，S為隱含層第j個(gè)神經(jīng)元的輸入值；w為輸入層第i個(gè)神經(jīng)元與隱含層第j個(gè)神經(jīng)元之間的連接權(quán)值；b為隱含層第j個(gè)神經(jīng)元的閾值；p為隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)。為模擬生物神經(jīng)元的特性，以S作為激活函數(shù)的自變量來計(jì)算隱含層各單元的輸出。經(jīng)過測試，選擇對數(shù)S型（Log-Sigmoid）激活函數(shù)時(shí)計(jì)算精度較高。函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，d為隱含層第j個(gè)神經(jīng)元的激活值；單元閾值b用于模擬生物神經(jīng)元的閾值電位。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中神經(jīng)元間的連接權(quán)值和各神經(jīng)元的閾值一起被不斷修正，直到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算誤差下降到期望誤差值或達(dá)到最大訓(xùn)練次數(shù)。輸出層神經(jīng)元以隱含層神經(jīng)元的激活值和隱含層到輸出層神經(jīng)元的連接權(quán)值、輸出層神經(jīng)元閾值為自變量按照S計(jì)算輸入值，輸出值即為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果。在進(jìn)行電池電解液密度計(jì)算的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模中，隱含層到輸出層的激活函數(shù)選擇purelin線性函數(shù)。函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，v為輸出層第k個(gè)神經(jīng)元的輸出值；h為輸出層第k個(gè)神經(jīng)元的輸入值；w為隱含層第j個(gè)神經(jīng)元到輸出層第k個(gè)神經(jīng)元間的連接權(quán)值；d為隱含層第j個(gè)神經(jīng)元的激活值；b為輸出層第k個(gè)神經(jīng)元的閾值；q為輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)。

目前的計(jì)算采用電壓、放電電流、電解液溫度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入項(xiàng)，以電池電解液密度為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出項(xiàng)。

將訓(xùn)練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的神經(jīng)元連接權(quán)值矩陣和閾值向量提取出來，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的計(jì)算原理進(jìn)行編程。

3 智能采集模塊硬件設(shè)計(jì)

智能采集模塊的硬件主要包括：主控器、AD采樣保護(hù)電路、電壓采樣電路、溫度采樣電路、液位采樣電路。這里詳細(xì)介紹采樣保護(hù)、溫度采樣、A/D采集模塊、CAN模塊。

3.1 采樣保護(hù)電路

在監(jiān)控單元中，被檢測的對象如液位、電流等都是連續(xù)變化的量，通過相應(yīng)傳感器將它們轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的電流（4～20 mA），再選取一個(gè)適當(dāng)阻值的電阻將其轉(zhuǎn)化成0-3 V的電壓信號?？紤]到工程實(shí)踐，需留有一定的裕量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳感器的輸入信號限定在0.48～2.4 V，這樣取樣電阻設(shè)置為120 Ω。進(jìn)入AD采樣通道之前再設(shè)置一鉗位電路，鉗位電壓為2.5 V，以保證在異常情況下不至于使輸入AD通道電壓過高而燒毀ARM。采樣保護(hù)電路如圖3所示。

圖3 采樣保護(hù)電路

3.2 溫度采樣電路

針對蓄電池內(nèi)部檢測環(huán)境惡劣，而溫度的測量要求精度高的要求，溫度測量單元選用PT1000，其溫度測量范圍為：-40~+85℃，當(dāng)溫度為0℃時(shí)，電阻值約為1000 Ω，當(dāng)溫度范圍在0~100℃時(shí)，電阻值變化率為3.85 Ω/℃。將PT1000與一個(gè)阻值1.8 kΩ電阻串聯(lián)，將一個(gè)阻值1.8 kΩ電阻和一個(gè)阻值為1 kΩ的電阻串聯(lián)，它們共同組成一個(gè)橋式電路，給橋式電路施加一個(gè)直流5 V的電壓信號，將橋式電路的兩個(gè)中間節(jié)點(diǎn)分別送入儀表放大器INA128的正負(fù)輸入端，INA128放大器芯片的增益設(shè)置為6，這樣可以更精確的測量到PT1000阻值變化時(shí)引起的電壓變化值，其輸出引腳連接STM32F103RCT6芯片的內(nèi)部AD模塊。溫度采樣電路圖如圖4所示。

圖4 溫度采樣電路

3.3 A/D采集模塊電路

A/D模塊采用16位串行高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS8320，它是Burr-Brow公司生產(chǎn)的逐次逼近式串行微功耗CMOS型高速A/D轉(zhuǎn)換器，它的線性度為，工作電源在2.7～5.25 V范圍內(nèi)，采樣頻率最高可達(dá)100 kHz；ADS8320具有同步串行SPI / SSI接口，因而占用微處理器的端口較少ADS8320的輸入端采用差模輸入方式。

圖5 A/D采集模塊電路

3.4 CAN模塊電路

由于多個(gè)蓄電池智能采集模塊并聯(lián)在CAN網(wǎng)絡(luò)中，向上位機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，相互之間會(huì)存在干擾，因此傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中在收發(fā)兩路都需要加上光耦隔離芯片，但這樣做的缺點(diǎn)是：電路相對復(fù)雜，且電路板占用面積大。因此本設(shè)計(jì)CAN控制器選用CTM8251LAT，它是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，其內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器件，所有功能集成在不到3平方厘米的芯片上。

圖6 CAN模塊電路

4 智能采集模塊軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括工控機(jī)信號分析與故障診斷和下位機(jī)信號采集處理兩個(gè)部分。工控機(jī)根據(jù)既定協(xié)議，通過CAN轉(zhuǎn)接卡與智能采集模塊進(jìn)行通信，以完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。工控機(jī)程序基于LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)。圖形化、模塊化是LabVIEW的最大特點(diǎn)，它簡化了程序代碼的編寫，從而開發(fā)出功能完善、界面友好的應(yīng)用程序。其主要功能為：顯示電壓、密度、溫度測量值，對智能采集模塊進(jìn)行故障檢測，對密度、溫度和液位越限報(bào)警。

智能采集模塊程序存儲(chǔ)于ARM FLASH中，上電完成芯片初始化、數(shù)據(jù)初始化，然后接收執(zhí)行上級設(shè)備指令，完成信號數(shù)據(jù)采集并上傳數(shù)據(jù)；如遇程序跑飛、死循環(huán)，程序則會(huì)自動(dòng)重啟保證參數(shù)檢測模塊正常運(yùn)行。主程序負(fù)責(zé)對“檢查電池”的高低液位、溫度、電池電壓信號進(jìn)行采集、濾波、處理，同時(shí)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算得到電解液密度值，并通過CAN總線總線發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN口數(shù)據(jù)采取中斷方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。程序采用循環(huán)方式運(yùn)行，并采取了防死機(jī)措施。參數(shù)檢測模塊主程序流程圖如圖7、8所示。

圖7 參數(shù)檢測模塊主程序流程圖1

圖8 參數(shù)檢測模塊主程序流程圖2

5 結(jié)論

為解決檢測系統(tǒng)檢測參量少、檢測精度低且智能化程度低的問題，本文設(shè)計(jì)了一套智能檢測系統(tǒng)，其中詳細(xì)介紹了蓄電池檢測系統(tǒng)的組成、采集模塊硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過多輪次試驗(yàn)調(diào)試和運(yùn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)和可靠性要求，在應(yīng)用中滿足實(shí)際需求，為鉛酸電池電源系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提供有力保障。

[1] 周志敏, 周紀(jì)海, 紀(jì)愛華．閥控式密封鉛酸蓄電池實(shí)用技術(shù)[M]．北京: 電力出版社，2004: 66-70.

[2] 劉曉剛．鉛酸蓄電池容量檢測方法研究[D]．武漢: 華中科技大學(xué), 2007．

[3] 舒新．蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)研究與開發(fā)[D]．南京: 河海大學(xué), 2007．

[4] 樂毅成, 于水英, 付志超．鉛酸蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．船電技術(shù), 2016, 36(7)．

Design of Detecting System with STM32 for A Battery

Hu Dan, Sun Jia, Du Linggen, Li Jun

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

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TP273.4

A

1003-4862（2017）04-0077-04

2016-11-10

胡旦(1988-)，男，工程師，研究方向：控制理論與控制工程。E-mail:hd_auto@163.com