基于以太網的蓄電池充放電電流遠程監測系統的研制

張 偉，郭 鋒，張永亮

（武漢軍械士官學校二系，湖北 武漢430075）

0 引 言

蓄電池動力機械由于其噪聲小、無尾氣污染，在倡導綠色環保的今天得到了廣泛的應用。對于這些機械而言，蓄電池的性能是決定其工作狀態的關鍵因素。因此，研究蓄電池的充放電策略，延長其使用壽命，具有巨大的經濟和社會效益。本文以TMS320F2812為核心，對蓄電池充放電電流進行在線監測，并將采集到的數據上傳至上位機進行顯示、分析和存儲。

1 電流監測原理

常用的電流測量方法主要有阻性分流器、互感器和霍爾傳感器。采用磁平衡原理的霍爾傳感器，精度高、線性度好、抗干擾能力強，而且測量的時候不需要跟被測電路接觸，從而在電流的測量中得到了廣泛的應用。

基于以上論述，本系統采用霍爾電流傳感器檢測法，傳感器為LEM公司的LTSR6－NP型霍爾電流傳感器。該傳感器的電流跟隨精度di/dt≥50 A/μs，頻測量帶寬為DC～100 kHz，可以用來測量直流、交流、脈沖和各種不規則的電流，非常適合蓄電池充放電電流的監測。

根據霍爾電流傳感器的輸出電壓與原邊電流的關系：

式中，UOUT為輸出電壓；N為原邊匝數。

本次設計采用原邊匝數為1，IPN為10 A，將霍爾傳感器的輸出電壓UOUT經過信號調理后輸入DSP的A/D通道進行采集，然后根據公式（1）即可計算出原邊電流Ip。

2 系統的硬件設計

該系統以TMS320F2812芯片為核心，其硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

2.1 TMS320F2812芯片

TMS320F2812芯片是TI公司生產的高性能DSP芯片，采用了改進的哈佛結構和8級流水線的32位處理器，總線頻率高達150 MHz，大大提高了數據存取速度和指令處理速度［2］。該芯片內置128K×16位的Flash；18K×16位的SRAM以及16×12位的A/D通道，并擁有SPI、SCI、McBSP、以及eCAN等多種外設接口。

2.2 電流信號調理電路的設計

為了保護DSP核心電路并提高測量精度，霍爾傳感器輸出的電壓信號需要經過光電隔離和比例放大后才能輸入DSP的A/D通道。光電隔離器件選用線性光耦LOC211，比例放大器件采用LM358，兩種器件配合可以對兩路電壓信號進行光電隔離和比例放大，在需要對多路電流進行監測的情況下，大大減小了電路板的體積。

2.3 以太網接口的設計

本系統通過以太網跟上位機通訊，網絡控制芯片使用DAVICOM半導體公司的DM9000A。該芯片是一款兼有高性能、低功耗的以太網MAC控制器芯片，具有通用的處理器接口，一個10M/100M自適應的PHY，兼容3.3 V和5 V的輸入輸出電壓。DM9000A還提供一個 MII（介質無關接口）接口來連接Home PNA設備或其它支持MII接口的收發器，支持8位、16位、32位的接口來適應不同處理器對內部存儲器的訪問。它完全支持lEEE802.3u規格，支持lEEE 802.3x全雙工的流量控制［3］。它的接口電路設計比較簡單，容易完成不同系統的軟件驅動開發。同時DM9000A還支持雙絞線和光纖兩種以太網傳輸介質。在電磁干擾嚴重的情況下，只要對雙絞線傳輸的電路稍作更改即可進行光纖傳輸。

DM9000A的片選信號為XZCS01，映射區域的起始地址為0x2000。DM9000A和DSP之間通過8位地址/數據總線進行通信。DM9000A與網絡的連接由接收信號線Rx＋、Rx－和發送信號線Tx＋、TX－通過隔離變壓器（Transformer）與以太網水晶接頭RJ45相連，隔離變壓器用來將DSP核心電路同以太網進行電氣隔離，以免互相干擾，保護內部電路不受損壞。DM9000A自帶了4個通用輸入輸出接口（GP2－GP5），可以用來設計LED驅動電路，顯示網絡的通斷、報文傳輸狀態等信息，方便網絡調試。

2.4 電源模塊的設計

本系統中所有器件的供電電壓共有三種：5 V，3.3 V和1.8 V，其中5 V和3.3 V為大部分器件的供電電壓，而1.8 V為DSP核心電源電壓，總功率在8 W左右。本次設計選用金升陽公司生產的LH15－10D0505－08型 AC－DC模塊電源，將220 V輸入電壓轉換為兩路相互隔離的5 V直流電壓輸出，輸出功率為15 W。該模塊體積僅為62 mm×45 mm×22.5 mm，可以交直流兩用，效率高，功率密度大。輸出的兩路5 V直流電壓一路給沒有光電隔離電路的器件或者光電隔離前的電路供電，另外一路經過DC－DC隔離芯片F0505S－2 W隔離后給光電隔離后的電路供電。內部電路 中 DSP 所 需 的3.3 V供 電 和1.8 V供 電 由TPS73HD318芯片通過未隔離的5 V電源轉換后獲得。

2.5 抗干擾措施

蓄電池充放電時會產生大量的電磁干擾，如果不采取相應的抗干擾措施，將會影響測量精度，嚴重時會導致系統核心電路受到干擾，造成DSP復位。因此，本系統在設計硬件電路時采取了以下措施來增強系統的抗干擾能力：

（1）采用光電隔離器件對信號采集電路和DSP核心電路進行隔離，增強數據采集時的抗干擾能力；

（2）設計金屬外殼機箱，抑制電磁場干擾；

（3）采用屏蔽雙絞線傳輸或光纖傳輸，增強數據傳輸時的抗干擾能力；

（4）四層印刷電路板布線，提高穩定性，增強抗干擾能力；

（5）模擬地與數字地分離，裝置對外殼單點接地等電勢，防止外部干擾。

3 系統軟件設計

下位機軟件主要包括數據采集模塊、網絡接口模塊。

圖2 數據采集程序流程圖

3.1 數據采集模塊

數據采集模塊利用定時器每1 s產生一次中斷，在中斷處理程序中對霍爾傳感器輸入A/D的信號進行采集，為了提高采樣精度，在一個中斷內進行兩次采樣，然后將平均值作為采樣值。數據采集程序流程圖如圖2所示。

3.2 網絡接口模塊

網絡接口模塊主要是在DSP上實現TCP/IP協議棧。根據TCP/IP四層模型以及本系統的應用場合，設計了網絡接口層、網際層、傳輸層和應用層。其中，網絡接口層主要完成網絡控制芯片DM9000A的初始化，以及底層數據的接受和發送，IP層實現了ARP、RARP、ICMP和IP協議，傳輸層采用 UDP協議，應用層主要完成采集數據的上傳和下位機運行參數的設置。

3.3 上位機軟件設計

上位機軟件采用C＃編寫，主要完成對下位機上傳數據的圖形顯示、分析、存儲，并設置下位機的采樣率等參數。

4 結 論

本文以TMS320F2812為核心，設計了基于以太網的蓄電池充放電電流遠程監測系統，適合對大型倉庫多組蓄電池進行遠程集中管理，積累大量的蓄電池充放電數據，在實際應用中取得了良好的效果。

［1］ LEM.Current Transducer LTSR6－NP［EB/OL］.http：//www.lem.com.

［2］ 寧改娣，曾翔君，駱一萍.DSP控制器原理及應用［M］.北京：科學出版社，2009.

［3］ Davicom.DM9000A－17－DS－F01［EB/OL］.http：//www.davicom.com.tw/userfile/24247/DM9000.