基于CAN總線的蓄電池組充放電集散控制系統(tǒng)的設計

　　引言

　　隨著高科技及其產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，大存儲容量的蓄電池組能源系統(tǒng)已經(jīng)越來越被人們所重視，在諸如電動汽車、大功率UPS、電廠及變電站直流系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等很多領域中都得到廣泛應用。

　　蓄電池組是由一定數(shù)量的單體電池串聯(lián)組成的，在使用過程中可能會有百次直至千次的充、放電。各單體蓄電池過充電、過放電或者放電不足均易引起電池的故障，某個單體蓄電池的故障也會導致整個蓄電池組的故障和損壞。因此，在線實時檢測蓄電池組充放電各單體蓄電池的充放電電壓、充放電時的溫升以及整個蓄電池組的充放電電流、電壓等參數(shù)，及時找出損壞或性能顯著降低的蓄電池，對于延長電池的使用壽命、降低成本特別是提高直流供電系統(tǒng)的可靠性至關重要。鑒于上述情況，我們研制了蓄電池組充、放電集散控制系統(tǒng)，它克服了早期的集中采集檢測方法中布線多、線路長，浪費人力物力又易引入干擾的缺點，同時CAN總線多主節(jié)點、高可靠性以及擴充性好等特點使得該系統(tǒng)具有較好的控制性能和廣泛的應用前景。

　　系統(tǒng)的組成及工作原理

　　CAN總線簡介

　　控制器局域網(wǎng)絡CAN (Controller Area Network)總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，是由德國BOSH公司為分布式系統(tǒng)在強電磁干擾環(huán)境下可靠工作而設計的一種串行通信網(wǎng)絡，它具有如下顯著特點：

　　(1)多主方式工作，各節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上的其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主從，且無需站地址等節(jié)點信息，利用這一特點可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng);

　　(2)采用獨特的非破壞性總線仲裁技術，優(yōu)先級高的節(jié)點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足不同的實時性要求;

　　(3)廣播式數(shù)據(jù)通信，采用CSMA /CD協(xié)議進行總線控制及數(shù)據(jù)通信。當節(jié)點向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時，其它節(jié)點都同時收到數(shù)據(jù)，具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能;

　　(4)高傳輸可靠性，總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8 個，并有CRC及其它校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低，且在某一節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤時可自動脫離總線，使總線上的其它操作不受影響;

　　(5)特別適合于網(wǎng)絡化智能設備，最高速率可至1Mbps，此時通信距離為40m，通信速率選擇5kbps時，通信距離可長達10km，可根據(jù)實際需要選擇使用。CAN總線只有兩根導線，系統(tǒng)擴充時直接將新節(jié)點掛接在總線上即可，系統(tǒng)容易實現(xiàn)冗余設計。所以從適用性、可靠性和低成本的角度考慮，本系統(tǒng)中我們選擇了CAN總線來構(gòu)成底層通信網(wǎng)絡。

　　集散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

　　系統(tǒng)由上位機(通用PC機，帶CAN接口適配卡) ，n個智能電壓、溫度等數(shù)據(jù)采集節(jié)點單元(具體個數(shù)隨單體蓄電池數(shù)而定，但最多不超過110-2 = 108個) ， 1個現(xiàn)場智能電壓、電流監(jiān)控顯示報警節(jié)點單元及CAN總線網(wǎng)絡組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1：集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　系統(tǒng)中的每個節(jié)點都以INTEL80C196KC單片機為核心，配以PH IL IPS半導體公司的SJA1000獨立CAN控制器和PCA82C250CAN收發(fā)器構(gòu)成。PC機和CAN控制器之間采用雙口RAMIDT7132作為雙向數(shù)據(jù)傳送通道。現(xiàn)場智能電壓電流監(jiān)控顯示報警節(jié)點單元另采用北京青云創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司的液晶顯示模塊LCM320240ZK和簡易鍵盤，用于顯示各智能檢測節(jié)點單元發(fā)送來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和向各智能檢測節(jié)點單元發(fā)送簡短的PID調(diào)節(jié)等控制命令。智能電壓、溫度檢測節(jié)點單元則配以相應的電壓、電流、溫度傳感器及相應的處理電路，以完成電壓、電流及溫度信號的采集工作。

　　圖1中的各個智能電壓、溫度檢測節(jié)點單元分別安裝固定于各單體蓄電池旁，具有相同的硬件結(jié)構(gòu)。其主要功能是采集各單體蓄電池的充放電電壓，蓄電池在充放電過程中的溫升等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波和相應變換后通過CAN 總線網(wǎng)絡送到上位機和現(xiàn)場監(jiān)控顯示報警節(jié)點單元;現(xiàn)場智能電壓、電流監(jiān)控顯示報警節(jié)點單元負責檢測蓄電池組充放電電壓、電流，接收各智能檢測節(jié)點單元發(fā)來的經(jīng)濾波、變換等處理后的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對主要參數(shù)進行顯示、存儲，完成對蓄電池組充放電電壓、電流的數(shù)字P ID調(diào)節(jié)控制，并對各單體蓄電池進行故障診斷、鎖定和報警，其數(shù)據(jù)交換也是通過CAN總線網(wǎng)絡送到上位機。CAN總線網(wǎng)絡部分主要由CAN總線通信介質(zhì)和相應的通信軟件組成。本系統(tǒng)通信介質(zhì)采用雙絞線，負載連接在CANH和CANL之間，終端匹配阻抗值為信號的特征阻抗值，約為120Ω。

　　節(jié)點單元硬件設計

　　節(jié)點單元工作原理

　　本系統(tǒng)中存在現(xiàn)場智能電壓電流監(jiān)控顯示報警節(jié)點單元和智能電壓、溫度檢測節(jié)點單元等不同類型的節(jié)點，但其核心電路基本類似，只是外圍接口電路和傳感器等采集電路有所區(qū)別。以帶有監(jiān)控顯示報警的節(jié)點單元為例，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　圖2：節(jié)點單元結(jié)構(gòu)框圖

　　現(xiàn)場蓄電池充放電交直流電壓、電流、溫度等模擬量經(jīng)濾波、整形后，通過多路轉(zhuǎn)換開關進入80C196KC的A /D轉(zhuǎn)換口，由單片機定時采樣并完成A /D轉(zhuǎn)換;開關量輸入經(jīng)過光耦、緩沖器進入單片機的I/O口，單片機通過對I/O口的檢測和數(shù)值處理產(chǎn)生相應的動作如聲光報警、關閉充放電電源模塊、繼電器動作等;單片機將A /D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與設定參數(shù)進行比較和數(shù)字計算，由高速輸出口HSO完成PWM輸出，經(jīng)隔離、整形、濾波處理后送出PID調(diào)節(jié)信號，可對充放電電壓、電流進行控制;由于外圍接口電路較多，用8155對單片機I/O 口進行了擴展，通過鍵盤和液晶可上、下、前、后翻屏查看監(jiān)控信息(充放電電源狀態(tài)、蓄電池狀態(tài)、充放電曲線等)和更改系統(tǒng)參數(shù)設置(電壓、電流閾值、溫度補償系數(shù)等) ;為進行CAN總線通信和與上位機數(shù)據(jù)交換，節(jié)點單元還設置了CAN通信接口電路和RS232串行通信接口電路。

　　CAN總線接口電路

　　節(jié)點單元CAN總線部分硬件電路原理圖如圖3所示。節(jié)點單元CAN總線接口由獨立控制器SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250 組成。SJA1000 作為微控制器的片外擴展芯片，其片選腳CS接在微控制器的地址譯碼器上，從而決定了CAN控制器中的各寄存器在微控制器中的地址。SJA1000通過CAN控制器接口芯片82C250連接在物理總線上。收發(fā)器件82C250能提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN 控制器的差動接受能力，完全和“ ISO11898"標準兼容，具有高速、抗干擾、掉電能自動關閉輸出、支持達110個節(jié)點連接等特性。

　　系統(tǒng)軟件設計

　　本系統(tǒng)的軟件由兩部分組成：上位機PC機軟件和節(jié)點單元軟件。PC機軟件在Windows環(huán)境下用組態(tài)軟件產(chǎn)生友好的人機界面，實時讀取各節(jié)點單元所傳送的數(shù)據(jù)，拼裝后在畫面上顯示，通過畫面能及時了解各蓄電池的工作特性、工作狀態(tài)，對不符合要求的蓄電池發(fā)出報警信號，以便及時處理，找出蓄電池的最佳工作點，保證蓄電池充放電系統(tǒng)的正常工作，提高蓄電池組充放電的工作效率。節(jié)點單元軟件包括自檢程序、多路A /D轉(zhuǎn)換濾波處理程序、數(shù)字PID調(diào)節(jié)程序、LCD顯示程序和通信程序等模塊，采用匯編語言編寫，仿真調(diào)試脫機模擬后固化于EPROM內(nèi)。

　　圖3：節(jié)點單元CAN總線通信接口電路圖

　　節(jié)點單元主程序

　　節(jié)點單元主程序流程圖如圖4所示，完成對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)分析， I/O口數(shù)字開關量的處理、調(diào)用蓄電池充放電參數(shù)調(diào)整程序、CAN總線通信程序和鍵盤、LCD顯示程序等。其中數(shù)據(jù)分析包括蓄電池組的充放電電壓、電流比較、浮充電壓判斷、低壓切除電壓閾值調(diào)整等;I/O數(shù)字開關量處理包括對開關量的判斷、報警等。

　　圖4：節(jié)點單元主程序流程圖

　　圖5：CAN總線通信初始化流程圖

　　通信程序

　　CAN總線通信程序主要由三部分組成，即初始化程序、發(fā)送程序和接收程序。初始化程序主要完成CAN控制器工作方式的選擇，即對CAN控制器控制段中的寄存器寫控制字。

　　本系統(tǒng)采用SJA1000，即在系統(tǒng)復位模式下完成如圖5的初始化流程。信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線或從CAN總線到CAN接收緩沖區(qū)都是由CAN總線控制器SJA1000自動完成的，發(fā)送和接收中斷處理流程圖分別如圖6、圖7所示。

　　圖6：CAN總線通信發(fā)送程序流程圖

　　圖7：CAN總線通信接收程序流程圖

　　液晶顯示程序

　　液晶顯示程序框架如圖8所示。帶中文字庫的大點陣圖形液晶顯示模塊LCM320240ZK每屏可顯示300個字符，且可以清晰顯示蓄電池組充放電電壓、電流、V/I特性等曲線。首屏監(jiān)控子菜單內(nèi)容包括當前時間、交流電壓、電流、負載電壓、電流、環(huán)境溫度、單體蓄電池溫度、均浮充狀態(tài)等參數(shù)。在首屏上按功能選擇鍵啟動或復位可進入主菜單屏，包括電池狀態(tài)監(jiān)控、充放電參數(shù)控制以及故障報警等子菜單，利用光標移動可選擇要查看的子菜單。屏間信息的轉(zhuǎn)換、屏內(nèi)光標的移動和參數(shù)的增減通過上、下、左、右和確定按鍵組合實現(xiàn)。

　　圖8：液晶顯示程序流程圖

　　結(jié)　語

　　基于CAN總線的蓄電池組充放電集散控制系統(tǒng)充放電參數(shù)檢測控制實時性好、抗干擾性強且易于升級，對于提高直流供電系統(tǒng)的可靠性，減輕工作人員的勞動強度，減少維護工作的盲目性具有重要的參考價值。