基于ARM的無人值守地震臺(tái)站蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 介紹一種以ARM芯片為微處理器的地震臺(tái)站蓄電池遠(yuǎn)距離在線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，同時(shí)采用專門用于監(jiān)測電池的智能型專用芯片DS2438和LEM的智能蓄電池傳感器Sentinel、電流傳感器兩套采集系統(tǒng)，對(duì)電池的溫度、電壓、電流和剩余電量等參數(shù)的采集，大大簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能使系統(tǒng)更加可靠、簡單和實(shí)用。通信系統(tǒng)采用4G（LTE）無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與省局前兆中心遠(yuǎn)程通信和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人值守的地震臺(tái)站蓄電池的遠(yuǎn)距離在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。 結(jié)果表明，該系統(tǒng)很好地達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： ARM； DS2438； Sentinel； 4G（LTE）

中圖分類號(hào)： TN06?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）04?0129?03

我省前兆無人值守臺(tái)站數(shù)量眾多，儀器供電裝置一直比較落后，裝置簡單，多次出現(xiàn)蓄電池虧電造成儀器停測的故障，甚至造成儀器損壞。本項(xiàng)目通過對(duì)河北省地震前兆臺(tái)網(wǎng)無人值守臺(tái)站儀器電源管理系統(tǒng)模塊化及電源供電遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計(jì)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控，將全省各個(gè)無人值守臺(tái)站的電源狀態(tài)及時(shí)反饋到省局前兆臺(tái)網(wǎng)中心，進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控，做到儀器設(shè)備電源供電系統(tǒng)故障前早預(yù)警、早干預(yù)，及時(shí)有效的確保地震觀測儀器穩(wěn)定可靠的連續(xù)運(yùn)行。

1 工作原理

依據(jù)蓄電池的主要性能參數(shù)，利用DS2438芯片的智能電池監(jiān)測系統(tǒng)和LEM的智能蓄電池傳感器Sentinel、電流傳感器對(duì)儀器的供電方式和電池的電壓、電流、溫度、剩余電量進(jìn)行監(jiān)測，通過RS 232總線通信的方式把采集的數(shù)據(jù)送到ARM芯片進(jìn)行分析處理，處理完的數(shù)據(jù)經(jīng)過地震前兆數(shù)據(jù)采集器送到上位機(jī)，進(jìn)行人機(jī)交互顯示并通過4G（LTE）無線通信技術(shù)把處理完成的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞【智罢字行膹亩鴮?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離在線實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。

2 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)蓄電池的相關(guān)參數(shù)[1]的研究，溫度、充放電電壓、電流對(duì)于鉛酸蓄電池的性能都有很大的影響，欠壓或過壓都很可能導(dǎo)致蓄電池的損壞，放電電流過載也會(huì)對(duì)蓄電池的壽命造成嚴(yán)重的影響，鉛酸蓄電池的各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系較為復(fù)雜，無法從單一的參數(shù)中確定蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)。因此，本課題通過基于一種智能化的全新的電源管理系統(tǒng)模塊化及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

整個(gè)蓄電池管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案主要由5部分組成：

（1） 微處理器模塊。完成整個(gè)硬件電路的控制和模塊間的通信功能，包括將數(shù)據(jù)采集單元的模擬數(shù)據(jù)送入地震前兆數(shù)據(jù)采集器；完成采集單元和數(shù)采的參數(shù)協(xié)議轉(zhuǎn)換；連接數(shù)采對(duì)外充電電源接口與控制充放電開關(guān)單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的充電功能。

（2） 蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集模塊。包括電壓采集單元的設(shè)計(jì)，主要完成如下功能：是采集蓄電池電極間電壓參數(shù)，通過對(duì)電壓的監(jiān)測，來準(zhǔn)確判斷蓄電池的充放電狀態(tài)，蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)。

（3） 充放電開關(guān)控制模塊[5]。完成地震前兆數(shù)據(jù)采集器對(duì)蓄電池充電和蓄電池對(duì)地震前兆儀器供電功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充放電智能保護(hù)。

（4） 地震前兆數(shù)據(jù)采集器。完成前兆臺(tái)網(wǎng)對(duì)蓄電池運(yùn)行性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（5） 通信模塊。通過4G無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與省局前兆地震中心的通信和在線監(jiān)測功能。

2.1 微處理器模塊

微處理器模塊主要采用ARM7結(jié)構(gòu)的LPC2103作為主控制器，該控制器是一種32位的ARM7 TDMI?S微控制器，最高工作速度可達(dá)70 MHz，32 KB的片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器和8 KB的片內(nèi)靜態(tài)RAM。主要由最小系統(tǒng)、復(fù)位電路、與電壓電流內(nèi)阻等采集模塊的通信接口[3?4]，上位機(jī)接口等組成如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

采用是DALLAS公司的電池監(jiān)測芯片DS2438，只有一根雙向數(shù)據(jù)線，為了跟LPC2103芯片總線連接，通過一個(gè)三極管和兩個(gè)隔離器把一個(gè)雙向數(shù)據(jù)線改成兩根總線然后連接到ARM芯片LPC2103總線的P0.0和P0.1管腳，內(nèi)含數(shù)字溫度傳感器可直接測量電池溫度；片內(nèi)A/D可進(jìn)行電池電壓監(jiān)測，可判定充電和放電的狀態(tài)；片內(nèi)的積分電流累加器可實(shí)時(shí)記錄電池流入、流出電流的總量[5?6]，便于計(jì)算剩余電量；具體采集電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

為了保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性同時(shí)也采用LEM公司的Sentinel智能電池傳感器對(duì)單個(gè)電池的電壓，溫度和內(nèi)阻測量，通過專屬總線S?BUS傳送給數(shù)據(jù)記錄器S?BOX，電流傳感器對(duì)電池的充電，放電或者浮充狀態(tài)檢測，檢測系統(tǒng)如圖4所示。

2.3 通信模塊

通信模塊功能一是實(shí)行微處理器與地震前兆數(shù)據(jù)采集器的通信，二是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與地震前兆數(shù)據(jù)采集器的通信同時(shí)利用4G無線移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與地震前兆中心的遠(yuǎn)距離在線監(jiān)測功能，使用中興公司的4G（LTE）通信模塊ME3760，它是一款Mini PCI?E接口的LTE 模塊，支持LTE TDD band38（2.6 GHz），band39（1.9 GHz），band40（2.3 GHz）； LTE FDD band7（2.6 GHz），向下兼容TD?SCDMA A頻段（2.1 GHz）和F頻段（1.9 GHz）以及GSM 900 MHz，GSM 1 800 MHz，支持最大100 Mb/s，50 Mb/s的理論上下行數(shù)據(jù)傳輸速率，分別在無人值守的臺(tái)站和省局前兆中心電腦上裝ME3760 ，可實(shí)現(xiàn)4G無線通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化，即主模塊的軟件設(shè)計(jì)和子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主模塊軟件主要完成對(duì)LPC2103的系統(tǒng)初始化、電池參數(shù)的采集、地震前兆數(shù)據(jù)采集器的通信接口程序設(shè)計(jì)、參數(shù)的分析處理和控制，電池異常判斷等功能，設(shè)計(jì)流程及其程序代碼如圖5所示。

電池參數(shù)采集程序設(shè)計(jì)主要有電池電壓采集子程序、電流采集子程序、溫度采集子程序和內(nèi)阻采集子程序等組成，其中電壓采集程序流程如圖6所示。

4 結(jié) 語

本項(xiàng)目新型鉛酸蓄電池智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，依托現(xiàn)有地震前兆數(shù)據(jù)采集器平臺(tái)開發(fā)智能化的蓄電池管理系統(tǒng)，具有成本低，及時(shí)監(jiān)控，有效預(yù)警，安全可靠的特點(diǎn)。大大節(jié)約了財(cái)力和人力，并在地震前兆臺(tái)網(wǎng)無人值守臺(tái)站儀器電源管理系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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