基于LabVIEW的蓄電池模擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐瑞超，常麗園

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

伴隨著微電子技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及高精度儀器儀表的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)的多路采集智能化成功實(shí)現(xiàn)。大量的數(shù)據(jù)采集和處理由計(jì)算機(jī)完成，測(cè)量精度和測(cè)量速度都得到了大大的提高。蓄電池參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面有許多可行性方法，比如基于CAN總線的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1],基于Linux的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3-5]，基于虛擬儀器的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6-7]，以及有一些蓄電池參數(shù)監(jiān)測(cè)的其他方式[8-10]。

LabVIEW軟件以其圖形化編程方式深受用戶歡迎，其普及率目前僅次于C++編程語(yǔ)言。將LabVIEW應(yīng)用于蓄電池參數(shù)監(jiān)測(cè)[11-13]，可以對(duì)蓄電池電壓、阻抗、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，并具有超過閾值的報(bào)警顯示功能。結(jié)合NI公司生產(chǎn)的 PCI6221 數(shù)據(jù)采集板卡，將采集來的各種數(shù)據(jù)通過 DAQ 助手的方式實(shí)時(shí)傳輸?shù)絃ABVIEW平臺(tái)進(jìn)行顯示處理。

本設(shè)計(jì)采用虛擬儀器LabVIEW平臺(tái)和NI的PCI6221數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓，阻抗，溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與顯示存儲(chǔ)。通過采集卡，信號(hào)從多通道傳輸?shù)絃abVIEW進(jìn)行顯示。設(shè)置閾值電壓、阻抗、溫度，當(dāng)達(dá)到閾值時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)報(bào)警提醒用戶采取保護(hù)措施。應(yīng)用密碼保護(hù)功能防止他人對(duì)程序和前面板進(jìn)行篡改實(shí)現(xiàn)程序和控制界面的安全。應(yīng)用web發(fā)布技術(shù)可以使其他沒有裝LabVIEW的用戶實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)上對(duì)前面板的遠(yuǎn)程的查看和有效的控制。有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池參數(shù)的監(jiān)測(cè)控制，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在用戶眼前，具有的報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)對(duì)象的安全保護(hù)，讓用戶可以實(shí)時(shí)掌握電池參數(shù)動(dòng)態(tài)。密碼保護(hù)實(shí)現(xiàn)程序安全無篡改，web技術(shù)實(shí)現(xiàn)客戶端遠(yuǎn)程訪問等。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要采集電壓、溫度、阻抗信號(hào)，前面板分別由用戶登錄系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 采集系統(tǒng)組成

信號(hào)經(jīng)過DAQ板卡進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)程序在Labview程序界面進(jìn)行顯示并進(jìn)行保存。

2 登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 用戶登錄界面前面板

登錄到系統(tǒng)程序員管理程序，設(shè)置用戶名稱和密碼，以防止對(duì)程序修改，保證程序成功運(yùn)行。本設(shè)計(jì)的登錄系統(tǒng)有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是界面簡(jiǎn)潔，直接通過用戶名和密碼就可以實(shí)現(xiàn)登陸。該系統(tǒng)缺點(diǎn)為無法添加新用戶。只有管理員才能通過登錄系統(tǒng)登陸，且沒有密碼重置功能。圖2為用戶登錄界面前面板。

3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為電壓采集、阻抗采集、溫度采集。實(shí)驗(yàn)中用干電池模擬蓄電池進(jìn)行測(cè)量，蓄電池和干電池的區(qū)別在于蓄電池充放電有電壓變化，干電池為恒定電壓。設(shè)計(jì)中，所用的電池是3節(jié)普通干電池，每1節(jié)的電壓是1.5 V，由于數(shù)據(jù)采集卡的精度和計(jì)算機(jī)內(nèi)部信號(hào)干擾，采集的電池組電壓不是恒定的，當(dāng)電壓在4.5 V左右波動(dòng)時(shí)，即認(rèn)為結(jié)果基本正確。在電壓采集中接線如圖3所示，電壓采集顯示的前面板如圖4所示。

圖3 電壓采集接線圖

圖4 對(duì)比度電壓采集前面板

在采集電阻時(shí)，之前直接通過數(shù)據(jù)采集板卡采集電阻信號(hào)，但后來發(fā)現(xiàn)恒定電阻波動(dòng)太大，采集很不準(zhǔn)確，只好采用其他方法。分析原因與采集端子兩端本身就有微弱電壓有關(guān)，由于施加外部微弱電流，計(jì)算機(jī)自身信號(hào)干擾和板卡采集精度就會(huì)影響也會(huì)很大，不能忽略。根據(jù)歐姆定理，可以給電阻兩端加一個(gè)5 mA的恒流電源，通過采集電壓來?yè)Q算得到電阻值。在本設(shè)計(jì)中使用的是0-500歐姆電位器來模擬蓄電池電阻，蓄電池在充放電過程中電阻會(huì)有微弱的變化，隨時(shí)間變化電池阻抗也會(huì)發(fā)生變化。用電位器模擬，當(dāng)調(diào)節(jié)電位器時(shí)，阻值的變化就會(huì)被采集顯示出來。此時(shí)，電流是恒定，電阻和電壓呈線性關(guān)系。電阻測(cè)量連線圖如圖5所示，電阻采集前面板如圖6所示。

在溫度采集系統(tǒng)中，前期采用激勵(lì)電流熱敏電阻測(cè)量，信號(hào)很微弱導(dǎo)致采集精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。嘗試激勵(lì)電壓熱敏電阻測(cè)量，這種測(cè)量方式明顯較上一種有所改進(jìn)，但結(jié)果精度還是達(dá)不到要求。采用熱電偶來進(jìn)行替代測(cè)量，采用集成了調(diào)理電路的板卡，測(cè)得的結(jié)果還是波動(dòng)較大。熱電偶實(shí)質(zhì)輸出為微弱毫伏信號(hào)，可以按照接線圖直接將熱電偶換成微弱毫伏信號(hào)。所以本系統(tǒng)溫度采集微弱毫伏電壓信號(hào)來模擬熱電偶，經(jīng)過板卡的信號(hào)調(diào)理和處理?yè)Q算出溫度以達(dá)到采集溫度信息的目的。這種測(cè)量方式較先前的幾種都有了優(yōu)化，雖然還是不能保證精度，不過可以大致模擬蓄電池的溫度采集。溫度采集接線圖如圖7所示，溫度采集前面板如圖8所示。

圖5 電阻采集接線圖

圖6 電阻采集前面板

4 其他功能設(shè)計(jì)

4.1 歷史數(shù)據(jù)保存

關(guān)于歷史數(shù)據(jù)的保存，采用 Measurement &Automation 的vi logger 記錄器。設(shè)置需要記錄的DAQ數(shù)據(jù)采集任務(wù)作為記錄任務(wù)，將采集的數(shù)據(jù)記錄下來并保存到Excel表格中。將電壓、阻抗、溫度數(shù)據(jù)采集的任務(wù)添加到vi logger記錄器的任務(wù)當(dāng)中，以Excel形式將數(shù)據(jù)保存下來。

4.2 密碼保護(hù)

LabVIEW為了保護(hù)VI程序，在VI的屬性里面特意設(shè)置了VI保護(hù)，進(jìn)行密碼保護(hù)，在沒有密碼的情況下不能對(duì)VI程序框圖和前面板做出任何更改，只能在運(yùn)行模式下工作。

4.3 報(bào)警管理

在控制界面中還加入了報(bào)警設(shè)置，設(shè)置安全范圍，當(dāng)電池電壓、阻抗、溫度變化超過設(shè)定閾值時(shí)就會(huì)觸發(fā)報(bào)警，并將報(bào)警信息記錄下來，點(diǎn)擊重置報(bào)警次數(shù)就會(huì)重新記錄。

圖7 溫度采集接線圖

圖8 溫度采集前面板

圖9 web發(fā)布

4.4 web發(fā)布

LabVIEW 自帶Web服務(wù)器可以通過Web網(wǎng)絡(luò)發(fā)布工具發(fā)布VI前面板圖。通過Web發(fā)布可以使遠(yuǎn)程電腦查看VI，如圖9所示。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)使用了虛擬儀器實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池參數(shù)的模擬的數(shù)據(jù)采集。開發(fā)蓄電池參數(shù)監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示和保存。由于條件所限，結(jié)合 Measurement & Automation 與 NI PCI-6221 進(jìn)行了電壓、阻抗、溫度的采集，雖不是真實(shí)蓄電池的各項(xiàng)參數(shù)，但以替代品測(cè)量，其原理和實(shí)質(zhì)是一樣的。