一體化電源智能采集終端的研究與實現

劉春成，賀洪江

（1.河北工程大學 信息與電氣工程學院，邯鄲 056038；2.河北工程大學 裝備制造學院，邯鄲 056038）

隨著工業技術的不斷進步，智能電網高速發展，作為智能電網的補充，智能一體化電源已成為新一代工礦企業供配電必然的發展趨勢。在控制過程自動化及網絡化發展的同時，數據的傳輸量越來越大，對數據傳輸實時性要求也越來越高。本設計采用集成CAN控制器的高性能STM32F103VCT6作為采集終端的微處理器，使用高速集成82C250作為CAN收發器，設計一體化電源的數據采集終端[1]。

1 系統組成及工作原理

一體化電源監控系統結構如圖1所示。系統由上位機和采集終端2部分組成。采集終端將采集到的模擬量通過STM32自帶的AD轉換成數字量，信號經過STM32處理，上位機接收到采集終端發送的數據后，通過數據判斷電池組狀態，超出閾值，系統報警；正常，繼續接收。

圖1 監視系統結構Fig.1 Monitor system structure diagram

現場電網正常時，供電電路中超級電容作為儲能元器件；電網故障時，超級電容放電，終端繼續工作，最長可維持工作時間100 s[2]。

采集終端采用CAN總線與上位機通信。將實時交直流電壓、電池溫度等信息傳至上位機。上位機可以對實時電壓、溫度等數據進行查詢。發生異常時，終端將故障電池物理連接切換到備用電池組。

2 終端電路設計

如圖2所示，該采集終端由STM32微控制器、AD控制器、外部電源、接觸器、液晶顯示、撥碼開關、CAN控制器組成。撥碼開關對CAN總線傳輸速率進行選擇；液晶屏顯示交直流的實時電壓及電池溫度；CAN總線模塊實現與上位機通信；接觸器控制各電池節點的通斷。

圖2 采集終端結構Fig.2 Collection terminal structure

2.1 供電電路設計

現場電路工作正常時，處理器采用220 V交流經LA5-220S05ACDC電源模塊轉換成直流供電。供電電路如圖 3 所示，C1，C41，L1，L2為電流感應器，當電壓驟降、驟升時，起抑制作用，防止劇烈波動；R100限制C401充電電流；C401作為晃電時持續為控制器供電的電源，最長供電時間可達100 s，保證電源切換過程中數據采集不中斷。

圖3 供電電路設計Fig.3 Power supply circuit design

2.2 采集電路設計

目前交直流一體化電源系統中對蓄電池的管理主要是監測其總電壓及故障報警。因此當監控中心收到報警信號時，不能對哪只電池出現問題、故障原因做出判斷。本系統對該方面做了改進：終端將電池溫度、單體電壓直接通過CAN總線上傳至上位機，監控中心對所有電池組工作狀況進行實時監控。

在線精確測量蓄電池組單蓄電池電壓一直是檢測的難點，12 V電池組由6塊2 V電池串聯組成，常規電阻分壓法、浮動地測量法，都存在精度低、抗感染能力差的缺點。由于測量時存在有用的差分信號同樣又有共模干擾信號，為了能夠抑制共模信號的影響，采用差分放大電路處理VADC[3]，根據運放特性，得到輸入輸出信號的關系：

蓄電池組由6節2 V蓄電池串聯組成，輸出12 V。終端采用差分放大電路對2 V左右的小信號進行采集。電路中C202可以濾除輸入端干擾信號；D1，D2保護運放輸入端；由于是差分放大電路，所以電路上下電阻對稱，即R51=R52，R54=R53；適當調整 R51，R52，R53，R54這4個電阻的大小就可得到需要的放大倍數。如圖4所示。

圖4 采集單蓄電池電壓Fig.4 Collection of single battery voltage

終端采用電壓型精密互感器TV1013-2Z將220 V按照線性比例轉換到0～3.3 V的電壓信號識別范圍，經濾波電路和運放構成的電壓跟隨電路，實現阻抗匹配后再將調理后的電壓信號輸入到A/D轉換器進行模數轉換。電壓采集電路如圖5所示。

圖5 交流電壓采集原理Fig.5 AC voltage acquisition

2.3 CAN總線硬件設計

CAN收發器采用PCA82C250，電路中采用光電耦合器電氣隔離，防止網絡因故障燒毀主控芯片。PCA82C250是一款高速CAN收發器芯片，兼容ISO/DIS 11891標準，具有接口簡單、體積小、性能可靠的優點。該模塊的主要功能是將邏輯電平轉換為差分電平。CAN總線傳輸差分信號，為防止因電阻匹配問題引起的信號反射，在網絡的兩端加上120 Ω的終端電阻。如圖6所示。

圖6 CAN總線電路原理Fig.6 CAN bus circuit principle diagram

3 軟件設計

軟件設計決定采集終端的穩定性、采集精確度以及工作速度。軟件設計包括采集終端主程序、CAN協議。

3.1 主程序設計

主控制程序包括AD模塊、中斷模塊、定時器模塊初始化、故障判斷及采集誤差的處理算法等。控制器根據采集數據判斷電池工作狀態，如圖7所示。

3.2 CAN協議

CAN協議已成為工業控制領域標準通信協議之一，通過該協議，可以把不同廠商的設備組網，實現集中控制。

標準CAN協議有標準幀和擴展幀2種工作模式，終端采用CAN2.0B標準幀格式。幀格式如表1所示。CAN標準幀信息為11個字節，包括信息和數據2部分，前3個字節為信息部分，后8個字節為數據部分[4]。

圖7 軟件流程Fig.7 Flow chart of software system

表1 CAN協議幀結構Tab.1 CAN protocol frame structure

規定主機地址為0x01，送達切斷故障切除指令為0x0b。當發送數據位前4位為0xFF 0xFF 0xFE 0xFF，后3位為0xFF 0xFE 0xFF時，為命令字。

如主機需要1號模塊（地址為0x02）切除控制區域內故障電池連接，則：主機發送：0x02 0x08 0x000xFF0xFF0xFE 0xFF0x0b0xFF0xFE 0xFF。此時終端接收到上位機發送的命令字0x0b后切除與故障電池物理連接。故障排除后，終端返回信息0x01 0x08 0x00 0xFF 0xFF 0xFE 0xFF 0x00 0xFF 0xFE 0xFF上位機接收到終端發送的信息，0x00表示程序執行完畢，故障排除。同時將接觸器狀態信息一同送達上位機。

通過CAN調試助手的性能測試，結果如表2所示，數據傳輸正確率達到99.97%，滿足實際應用要求。

表2 通信性能測試Tab.2 Communication performance test

4 實驗結果及分析

實驗中，隨機抽取了正在充電的2個電池組，在同等環境下采用萬用表和高精度溫度計檢測的數據作為實際測量值。選取的2組電池數據與其進行對比，如表3各個電池電壓和溫度。測試結果表明電池電壓的最大測量誤差為1.59%，溫度的最大測量誤差為2.23%，其測量誤差在3%以內，屬正常范圍，達到現場應用要求。

表3 電壓溫度采集實驗結果Tab.3 Voltage temperature collection and the experimental results

5 結語

本設計以STM32為控制核心，解決了傳統的一體化電源數據采集終端處理速度慢、測量精度低、并行處理能力差的問題。通過CAN總線與上位機組網，數據傳輸的實時性與抗干擾能力顯著提高。經測試，終端運行穩定、實時性好、準確性高、抗干擾能力強，可以投入實際應用。

[1]郭永鋒.CAN總線與RS-485總線的技術優勢對比[J].中國新通信，2012（15）：47-48.

[2]王楠楠，劉春英.基于STM32的低壓電機再啟動控制器設計[J].自動化與儀表，2014，29（7）：69-72.

[3]林立南.一種新型電池組單體電池電壓檢測方法[J].傳感器世界，2010，16（10）：18-20.

[4]張猛，姚列英，王英翹.基于CAN總線技術的PSM電源遠程控制通信系統[J].核聚變與等離子體物理，2015（1）：24-29.