基于CAN總線的蓄電池組集散控制系統設計

引言

　　隨著高科技及其產業的迅速發展，大存儲容量的蓄電池組能源系統已經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、通信系統等很多領域中都得到廣泛應用。

　　蓄電池組是由一定數量的單體電池串聯組成的，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，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，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總線多主節點、高可靠性以及擴充性好等特點使得該系統具有較好的控制性能和廣泛的應用前景。

　　系統的組成及工作原理

　　CAN總線簡介

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

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

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

　　(3)廣播式數據通信，采用CSMA /CD協議進行總線控制及數據通信。當節點向網上發送數據時，其它節點都同時收到數據，具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數據的功能；

　　(4)高傳輸可靠性，總線上每幀有效字節數最多為8 個，并有CRC及其它校驗措施，數據出錯率極低，且在某一節點出現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，可根據實際需要選擇使用。CAN總線只有兩根導線，系統擴充時直接將新節點掛接在總線上即可，系統容易實現冗余設計。所以從適用性、可靠性和低成本的角度考慮，本系統中我們選擇了CAN總線來構成底層通信網絡。

　　集散控制系統的基本結構及工作原理

　　系統由上位機(通用PC機，帶CAN接口適配卡) ，n個智能電壓、溫度等數據采集節點單元(具體個數隨單體蓄電池數而定，但最多不超過110-2 = 108個) ， 1個現場智能電壓、電流監控顯示報警節點單元及CAN總線網絡組成，其系統結構如圖1所示。

? 集散控制系統結構框圖

圖1：集散控制系統結構框圖

　　系統中的每個節點都以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收發器構成。PC機和CAN控制器之間采用雙口RAM IDT7132作為雙向數據傳送通道。現場智能電壓電流監控顯示報警節點單元另采用北京青云創新科技發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點單元發送來的現場數據和向各智能檢測節點單元發送簡短的PID調節等控制命令。智能電壓、溫度檢測節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，具有相同的硬件結構。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場數據，經過濾波和相應變換后通過CAN 總線網絡送到上位機和現場監控顯示報警節點單元；現場智能電壓、電流監控顯示報警節點單元負責檢測蓄電池組充放電電壓、電流，接收各智能檢測節點單元發來的經濾波、變換等處理后的現場數據，對主要參數進行顯示、存儲，完成對蓄電池組充放電電壓、電流的數字P ID調節控制，并對各單體蓄電池進行故障診斷、鎖定和報警，其數據交換也是通過CAN總線網絡送到上位機。CAN總線網絡部分主要由CAN總線通信介質和相應的通信軟件組成。本系統通信介質采用雙絞線，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。

　　節點單元硬件設計

　　節點單元工作原理

　　本系統中存在現場智能電壓電流監控顯示報警節點單元和智能電壓、溫度檢測節點單元等不同類型的節點，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別。以帶有監控顯示報警的節點單元為例，其結構框圖如圖2所示。

圖2：節點單元結構框圖

現場蓄電池充放電交直流電壓、電流、溫度等模擬量經濾波、整形后，通過多路轉換開關進入80C196KC的A /D轉換口，由單片機定時采樣并完成A /D轉換；開關量輸入經過光耦、緩沖器進入單片機的I/O口，單片機通過對I/O口的檢測和數值處理產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轉換后的數據與設定參數進行比較和數字計算，由高速輸出口HSO完成PWM輸出，經隔離、整形、濾波處理后送出PID調節信號，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、后翻屏查看監控信息(充放電電源狀態、蓄電池狀態、充放電曲線等)和更改系統參數設置(電壓、電流閾值、溫度補償系數等) ；為進行CAN總線通信和與上位機數據交換，節點單元還設置了CAN通信接口電路和RS232串行通信接口電路。

　　CAN總線接口電路

　　節點單元CAN總線部分硬件電路原理圖如圖3所示。節點單元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。收發器件82C250能提供對總線的差動發送能力和對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個節點連接等特性。

　　系統軟件設計

　　本系統的軟件由兩部分組成：上位機PC機軟件和節點單元軟件。PC機軟件在Windows環境下用組態軟件產生友好的人機界面，實時讀取各節點單元所傳送的數據，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，對不符合要求的蓄電池發出報警信號，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的正常工作，提高蓄電池組充放電的工作效率。節點單元軟件包括自檢程序、多路A /D轉換濾波處理程序、數字PID調節程序、LCD顯示程序和通信程序等模塊，采用匯編語言編寫，仿真調試脫機模擬后固化于EPROM內。