基于PSoC的艦船蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

（海軍航空大學(xué)戰(zhàn)勤學(xué)院 煙臺(tái) 264001）

1 引言

在艦船裝備中，蓄電池作為不可或缺的能量來(lái)源在維持火力控制系統(tǒng)供電穩(wěn)定方面具有突出地位。能快速準(zhǔn)確測(cè)量蓄電池健康狀態(tài)以及其內(nèi)阻參數(shù)對(duì)于維護(hù)蓄電池正常工作極為重要。一般的蓄電池監(jiān)測(cè)設(shè)備體積龐大，攜帶不便，或者不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不利于在外實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境下應(yīng)用。尋求一種體積小，測(cè)量準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)的新型蓄電池監(jiān)測(cè)模塊成為艦船裝備維護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)新的發(fā)展方向。PSoC是一種可編程片上系統(tǒng)，由Cypress公司生產(chǎn)開(kāi)發(fā)，在芯片設(shè)計(jì)上采用了高度集成工藝，不僅能減少組件數(shù)量，還可以簡(jiǎn)化修訂工作，也增加了功能模塊，僅僅單個(gè)PSoC器件就可以集成多達(dá)100種外設(shè)功能，從而加快設(shè)計(jì)周期、提高質(zhì)量，還可以減少卡板空間，降低功耗和節(jié)約成本［1～2］。

PSoC系列中CY8C4200系列利用 ARM Cor?tex-M0中央處理器（CPU）可以進(jìn)行多種功能并行處理，這為系統(tǒng)的小型化提供了保障，同時(shí)，Cy?press公司對(duì)于該系列提供了多種開(kāi)發(fā)環(huán)境，其集成度高，設(shè)計(jì)靈活，在同一個(gè)芯片上可以集成多種控制系統(tǒng)，靈活的編譯方式極大縮短了PSoC的調(diào)試周期。其中的PSoC4系列具有4個(gè)UDB和兩個(gè)可以靈活配置的串行通訊模塊，同時(shí)比其他系列更加節(jié)省能耗，因此本系統(tǒng)選用PSoC4作為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)周邊測(cè)量部件。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

整個(gè)監(jiān)測(cè)模塊由集合信息處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和用戶(hù)端組成，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由采集單元組成，建立在被測(cè)電池組上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于多個(gè)電池組的測(cè)量。每個(gè)采集單元將采集到的蓄電池參數(shù)上傳至集合信息處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，在設(shè)定好的時(shí)間下進(jìn)行蓄電池組的狀態(tài)信息更新。同時(shí)，系統(tǒng)本身也對(duì)蓄電池組的電流大小進(jìn)行測(cè)量并將非常態(tài)蓄電池信息上傳至用戶(hù)端。整個(gè)電池監(jiān)測(cè)模塊采用Modbus通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效避免了數(shù)據(jù)錯(cuò)亂以及丟失的情況［12］

表1 Modbus RTU通信協(xié)議信息流組成

鑒于PSoC4相互通信板塊的數(shù)據(jù)傳輸是8位，而ASC碼采用7位數(shù)據(jù)位，因此采用RTU通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 采集單元模塊設(shè)計(jì)

采集單元內(nèi)部的測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 采集器結(jié)構(gòu)

當(dāng)位于蓄電池上的采集單元將采集到的蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)定時(shí)器分檢后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至PSoC內(nèi)部的數(shù)字模擬系統(tǒng)進(jìn)行處理，用以增大信號(hào)功率，便于傳輸和計(jì)算相關(guān)參數(shù)。在規(guī)定的時(shí)間后通過(guò)UART向集合信息處理系統(tǒng)發(fā)送蓄電池組相關(guān)參數(shù)。

3.1 蓄電池電壓、溫度測(cè)量

整個(gè)采集系統(tǒng)基于PSoC片上系統(tǒng)，在芯片上集成了包括晶振，AD轉(zhuǎn)換和DA轉(zhuǎn)換等一整套系統(tǒng)，使得整個(gè)測(cè)量采集過(guò)程可以在一塊芯片上完成，對(duì)供電需求低，耗電量小，因此無(wú)需外接電源供電，可以直接利用蓄電池進(jìn)行供電。接入保護(hù)電阻后可直接利用AD采集蓄電池電壓數(shù)據(jù)。

圖3 電壓測(cè)量電路

3.2 蓄電池內(nèi)阻測(cè)量

蓄電池內(nèi)阻測(cè)量采用交流注入法，運(yùn)用作用端測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，在利用PSoC芯片中集成的電流數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊向電池組輸出CW脈沖電流信號(hào)：

根據(jù)采集電路（如圖5所示）可以發(fā)現(xiàn)，采集通過(guò)建立蓄電池端等效電路可以利用測(cè)量端的參數(shù)變化來(lái)等效模擬蓄電池參數(shù)。設(shè)基準(zhǔn)電阻為RS，四端口電壓值分別為U和U'，則蓄電池內(nèi)阻可以表示為

式中，U和U'可以直接從端口進(jìn)行采集，而基準(zhǔn)電阻Rs已知，由此可以在線測(cè)量蓄電池內(nèi)阻值。利用此方法其內(nèi)阻采集部分電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 內(nèi)阻測(cè)量電路

在電池內(nèi)阻測(cè)量期間，利用IDAC產(chǎn)生1KHz的PWM脈沖電流，將脈沖電流注入蓄電池來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓，以此控制Q1在有效測(cè)量時(shí)間內(nèi)進(jìn)行通斷，通過(guò)采集BAT_IN兩端的差分電壓，來(lái)計(jì)算蓄電池組的內(nèi)阻值。此時(shí)在設(shè)計(jì)程序時(shí)應(yīng)注意，由于蓄電池電壓過(guò)高，Q1的通電時(shí)間最好不超過(guò) 100ms，避免燒損場(chǎng)效應(yīng)管［8～9］。

圖5 內(nèi)阻測(cè)量放電電路

4 集中器模塊設(shè)計(jì)

集中器模塊主要用于收集各采集器上傳的蓄電池組數(shù)據(jù)，與之前設(shè)置闕值進(jìn)行對(duì)比，驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏對(duì)于各個(gè)蓄電池組狀態(tài)進(jìn)行顯示，并且采集在串聯(lián)中的流向蓄電池組的總電流。對(duì)于集中器以及采集器模塊設(shè)計(jì)，采用設(shè)計(jì)利用PSoC Creator完成。PSoC Creator是其公司自己研發(fā)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，能夠?yàn)镻SoC 4200器件提供全面集成的編程和調(diào)試支持，SWD接口與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的第三方工具完全兼容，可以自由編寫(xiě)程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)。PSoC Cre?ator是由Cypress公司推出的一種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用基于圖形用戶(hù)設(shè)計(jì)，構(gòu)成獨(dú)特而強(qiáng)大的硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境。其對(duì)于硬件設(shè)計(jì)通過(guò)建立統(tǒng)一的元件庫(kù)，設(shè)計(jì)者可以直接從元件庫(kù)中選擇需要的功能選擇［5］。

圖6 集中器內(nèi)部資源配置

如圖展示了對(duì)于集中器的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，當(dāng)接收到來(lái)自上位機(jī)的電流測(cè)量指令后，將測(cè)量后存放在電流測(cè)量寄存器中的電流值輸出至上位機(jī)。

電流測(cè)量利用ADC，采用比較法，即比較來(lái)自模擬端所測(cè)量的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)差分電流的測(cè)量。CIRCUIT IN1、CIRCUIT IN2通過(guò)雙路選擇器實(shí)現(xiàn)［4，7］。

5 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于單個(gè)電池組，建立和電池組相對(duì)應(yīng)的參數(shù)顯示體系可以幫助使用者更加快捷地了解電池組的健康狀況。在設(shè)計(jì)中，采用了0.96寸OLED顯示模塊，如圖7所示。

圖7 OLED模塊

其自帶GBK2312中文字庫(kù)可以方便輸出和顯示電池信息。其自帶的IIC模塊只需兩個(gè)IO端口即可實(shí)現(xiàn)通信并且兼容3.3V到5V，進(jìn)一步縮小了測(cè)量系統(tǒng)的占地空間。通過(guò)編寫(xiě)相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序：

在構(gòu)造具體啟動(dòng)程序之后，通過(guò)上述程序調(diào)用，并將其保存至全局文件中，即可調(diào)用相關(guān)模塊工作，使測(cè)量數(shù)據(jù)可視化。

6 測(cè)試

為檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際工作效果，利用此系統(tǒng)對(duì)某鉛酸蓄電池進(jìn)行了隨機(jī)測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果與誤差比較

表3 電壓測(cè)量結(jié)果與誤差比較

由測(cè)試結(jié)果可知，實(shí)測(cè)值與標(biāo)稱(chēng)值關(guān)系基本誤差在可接受范圍以?xún)?nèi)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。標(biāo)稱(chēng)內(nèi)阻采用YXD-3006蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀測(cè)試得出（其精度在1.5%以?xún)?nèi)），其標(biāo)稱(chēng)電壓由萬(wàn)用表測(cè)得。受測(cè)量?jī)x顯示位數(shù)的影響，在內(nèi)阻顯示時(shí)可能存在誤差，并且在測(cè)量中對(duì)于測(cè)試板沒(méi)有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾姶疟Ｗo(hù)措施，在某種程度上造成了誤差存在。

7 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于以往的其他單片機(jī)例如STM32，AVR等構(gòu)成的電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，均需要采集大量的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，處理速度慢，體積大，操作繁瑣，由于數(shù)字模塊和模擬模塊分置，在信號(hào)傳輸過(guò)程中容易造成信息失真，從而造成測(cè)量結(jié)果與實(shí)際不符。基于PSoC開(kāi)發(fā)可以更快獲取目標(biāo)信息，并且將采集與處理功能集成到一塊芯片中完成，在保證測(cè)量精確度的同時(shí)極大地節(jié)省了成本，為艦船蓄電池監(jiān)測(cè)提供了有效解決方案。