基于ARM9与LEM传感器的蓄电池在线监测硬件平台

——北京莱姆电子有限公司  赵苏晋

    1 概述

    蓄电池作为备用电源在供电系统中往往起着极其重要的作用，在交流电失电或其它事故状态下蓄电池组一旦出现问题，供电系统将面临瘫痪，造成设备停运及其它重大运行事故。近年随着阀控式密封铅酸蓄电池（以下简称阀控蓄电池）的广泛使用，加之使用环境及条件欠佳，因蓄电池提前失效而引发的事故时有发生。阀控蓄电池由于特殊的阀控式密封结构，使得我们无法准确掌握蓄电池的健康状况，其“免维护”的这一优点，反而成为电池运行管理中的缺点和难点，同时极其容易误导用户。在提高电池性能，减少维护工作量的同时，如何快捷有效地检测出早期失效电池并预测蓄电池性能变化趋势已成为电池运行管理的新课题。目前除了核对性放电、电压巡检等常规维护检测手段外，随着技术的发展一些新的检测手段孕育而生，蓄电池在线监测这一新检测技术开始逐步得到运用^[1]。

    北京莱姆电子是瑞士莱姆集团（LEM）的全资子公司，这款由瑞士研发、北京生产的Sentinel模块是专门为应用于蓄电池在线监测而量身定做的蓄电池传感器。该传感器只有火柴盒大小，每只模块监测一块蓄电池，模块采用四线制设计，通过与蓄电池的正负极相连实现供电和测量，然后通过RJ11接口（电话线接口）实现至多254个模块的相连，经由开放的串口协议通讯实现对整个蓄电池组的监测。该传感器可以直接测量单体蓄电池的阻抗、电压和表面温度（模块贴在电池表面），连线、安装方便，同时模块的质保期为五年，完全跨越蓄电池的失效周期，因此非常便于构建蓄电池在线监测系统。

    2 蓄电池在线监测硬件平台的构成

    蓄电池在线监测系统一方面需要完成在工业现场如变电站，数据中心等场合蓄电池参数的人机交互，方便用户在现场时观测蓄电池组整体电压，电流以及各单体电池的阻抗，电压和温度；另一方面需要提供网络接口，使用户在远端如中央控制室能够及时了解现场的情况；最后需增加GSM接口，一旦发生故障，可以用发短信或者打电话的方式通知到值班人员。因此有必要设计一台现场监测主机完成以上功能，与Sentinel模块相配实现整个蓄电池在线监测系统的构建，如下图：

    值得说明的是：

    1）由上图可见，鉴于sentinel模块的独特设计，可以直接对蓄电池阻抗进行测试，因此系统毋须安装单独的放电模块。

    2）由于sentinel模块需要通过地址来识别，该地址是8位的，以上连接最多实现254块蓄电池的连接。

    3）理论上图中用虚线指示的sbus通讯线是不需要连接的，但是考虑到工业现场的复杂性，如两模块之间的通讯线一旦被破坏，则某些模块将不在线路中，因此出于冗余设计的考虑，在现场允许的情况下，尽量布置该线缆。

    4）图中的电流变送器一般用于主机测量充放电电流，感知蓄电池的状态，是非常必要的，考虑现场施工方便，尽量使用外置的电流变送器，而不将该变送器布置在主机内，否则电池充放电线缆（往往是很粗的线缆）需要绕经主机，不经济也不安全。

    5）使用GSM天线的时候，要实地测量当地的信号强度，某些机房信号屏蔽严重，此时可以考虑将天线移到室外，以实现信号的通畅发送。

    由以上的分析，对现场监控提出的要求至少有带有人机交互功能，网络功能，GSM发射功能，sbus总线通讯的功能以及A/D转换接口。

    3 基于ARM9的蓄电池在线监测主机

    主机实质上是一个带有人机交互界面的嵌入式系统。为了完成嵌入式平台的构建，方便实现网络协议的通讯，拟采用ARM9+操作系统的方式，考虑到工业级的工作温度以及方便带液晶接口，选择ATMEL公司的AT91SAM9261作为系统的主控CPU。

    为了调试方便采用核心板+扩展板的方式，核心板上布置一个ARM9的最小系统，将所有接口皆引出，而功能部分则布置在扩展板上。

    3.1 核心板部分设计

    核心板的设计框图如下：

    说明：

    1）     由于AT91SAM9261采用Dataflash的启动的方式只能工作在温度高于0℃低于70℃的范围，一旦温度低于0℃将无法启动。为了解决这个问题，只能使ARM采用外部启动即NOR FLASH启动的方式，因此需要选择启动模式为外部启动（BMS=0），以达到工业现场的温度要求。

    2）    Norflash存储器芯片选择AMD公司的AM29LV160DB，其容量为4M*16bit，用于存储BOOT程序，小型操作系统及小型应用程序。设计时采用字对齐方式，即芯片的A0地址线对应ARM芯片的A1地址线。另外由于ATMEL官方提供的SAM-BA烧写程序仅支持Dataflash和Nandflash，因此有必要修改SAM-BA的脚本文件以实现对Norflash的烧写。

    3） Nandflash存储器芯片选择三星公司的K9F1208U0B，其存储容量为存储容量：64M*16bit，采用wince或者linux的操作系统时使用该芯片中存储操作系统和应用程序；如使用ucos之类的小型操作系统时，则该芯片可以省略不焊接，系统与BOOT程序存储在Norflash即可。

    4） Sdram芯片采用MT48LC16M16A2TG-75IT:D，每片容量为16M*16bit，本系统中采用两片SDRAM构成32数据总线。由于Sdram芯片为整个嵌入式平台的内存，需要频繁地与CPU进行数据交互，为了实现较好的信号完整性，在靠近ARM的地址和控制总线上串联22欧姆平衡电阻吸收信号反射。当采用小型操作系统时候，操作系统可在ARM内部的SRAM中运行，Sdram可以省略不焊接。

    5）扩展接口将ARM芯片的所有可用接口皆扩展出来，用于和扩展板连接。

    6）由于信号密集，同时需要将接口全部引出并保证良好的电磁兼容性效果，PCB采用六层板PCB设计方式，采用信号层——地层——信号层——电源层——地层——信号层的方式。

    为了保证高频工作的效果，设计时考虑将两片SDRAM的各总线设计为等长，同时采用两面布局和蛇形走线等技术手段。

    3.2 扩展板部分设计

    扩展板的设计框图如下：

    说明：

    1）  SPI flash芯片用于存储蓄电池传感器采得的数据。此处将芯片的写保护脚使用ARM的一个I/O口管理起来，以防上电或者掉电时修改片内的数据。

    2）  GSM模块采用西门子公司的TC35i模块，与扩展接口（连向ARM新片）之间通过串口进行通讯，另外使用ARM的一个I/O口控制IGT管脚进行模块的激活。为了保证模块与SIM卡之间通讯正常，他们之间的走线距离要尽量短。

    3）  网卡接口芯片采用DM9000，数据包通过它传送至以太网直至上位机软件。同时使用网络协议可以实现远程固件升级，保证主机运行最新的应用软件。

   4） Sbus是lem公司自身的协议，该协议可以转换为串口协议，其转换电路是开放的，将该电路设计在扩展板上，实现主控板与sentinel模块的通讯。

    5） 由于AT91SAM9261提供液晶数据接口，因此可以直接与LCD实现连接。

    6） 触摸屏接口芯片采用专用芯片ADS7843完成。

    4 整机联调

    我们在变电站对该系统进行了实验，使用2组蓄电池，每组分别有54节2v 300Ah的蓄电池，如下图：

    编写测试程序在系统内运行，每隔半小时对各蓄电池模块进行一次取数，然后将信息通过调试串口打印出来。下面为某次取数得到的结果：

    # 1 battery : 2.28v  24.29   404.9 uohm    # 2 battery : 2.24v  24.08   362.1 uohm

    # 3 battery : 2.22v  24.29   426.1 uohm    # 4 battery : 2.29v  24.29   350.1 uohm

    # 5 battery : 2.25v  24.29   381.8 uohm    # 6 battery : 2.28v  24.29   392.6 uohm

    # 7 battery : 2.28v  24.29   359.0 uohm    # 8 battery : 2.31v  24.29   373.2 uohm

    以上每个电池的参数分别为电压、温度、阻抗。在未来的实际应用中，通过对这些参数的综合分析，可以得知每只蓄电池的健康状况；同时本实验也验证了该平台可以应用于蓄电池在线监测。

    另外，对该平台的显示功能，网络通讯功能均做了基本测试，表现完全正常。进一步开发上层管理软件，利用该硬件平台构建一套完整的蓄电池在线监测系统是后续工作的重点。

    5 展望

    基于ARM9与LEM传感器的蓄电池在线监测硬件平台不仅可以用于对蓄电池失效模型和监测算法甚至电池活化技术的研究，另外如果配套监测软件可以应用于各种需要监测蓄电池的实际场合，如电力、通信、石油、化工、铁路、煤炭等行业的直流电源系统以及UPS系统的蓄电池在线监测，从而真正给蓄电池这一薄弱环节上一道保险，为我国的安全用电事业保驾护航。

    参考文献：

    [1] 蓄电池在线监测技术在变电站的应用 沈梦甜 陈 宏 中国电力通信网

    [2] 为什么要维护和监控备VRLA蓄电池 北京莱姆电子有限公司

    [3] AT91SAM9261-EK Evaluation Board User Guide ■