移動基站備用電源遠程監控均衡系統

張雨益　何志毅

【摘 要】設計了一個移動基站備用電源的檢測和數據遠程傳輸系統。在電池組工作電流和各節電池電壓的測量中，通過脈沖頻率調制方式對信號幅頻轉換替代AD轉換進行隔離采集，以避免大電流開關切換對可編程器件的干擾。測量數據通過移動模塊發送到遠程安卓客戶端并顯示變化過程曲線。利用差分放大削減輸入電壓模擬信號幅度只保留充放電有效變化的范圍，顯著提高幅頻轉換隔離采樣的電壓電流精度，分別達到0.13V和60mA。

【關鍵詞】TC35;壓頻轉換;蓄電池組;均衡控制

中圖分類號： TM912 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）14-0031-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.014

Mobile Base Station Backup Power Remote Monitoring and Equalization System

ZHANG Yu-yi HE Zhi-yi

（Guilin University Of Electronic Technology，Guangxi Guilin 541004，China）

【Abstract】A base station backup power supply detection and data remote transmission system is designed. In the measurement of the operating current of the battery pack and the voltage of each section of the battery， AD conversion was replaced by pulse frequency modulation to convert signal from Amplitude to frequency for isolated acquisition of signal to avoid the interference of the high-current switching to the programmable device. The measurement data was sent to the remote Android client via the mobile module and the change process curve is displayed. Using the differential amplifier to reduce the input voltage analog signal amplitude only retains the range of effective changes in charge and discharge， significantly improving the voltage-current accuracy of the amplitude-frequency conversion isolation sampling， respectively reaching 0.13V and 60mA.

【Key words】TC35; Voltage-Frequency conversion; Battery pack; Equilibrium control

0 引言

穩定可靠的電源供電是通信系統安全、可靠運行的保證，一旦通信電源系統故障引起對通信設備的供電中斷，通信設備就無法運行，就會造成通信電路中斷、通信系統癱瘓，從而造成極大的經濟和社會效益損失。為此通常都會配置備用電源，以便在停電或電源故障的時候為基站設備提供緊急供電。按照電源設備維護要求，需要定期對基站蓄電池組進行核對性放電和定期容量放電測試，以便及時發現性能老化的蓄電池并進行更換[1]。蓄電池組放電需要10個小時左右，如果由人工測試將會耗費大量人力物力，而且整個過程需要全程記錄看護，工作十分枯燥辛苦。為了提高維護效率，我們設計了一套可以遠程對蓄電池進行監控管理的系統。

1 系統主要功能簡介

系統主要由電壓檢測、電流檢測、市電檢測、停電時供電均衡和TC35短信模塊以及單片機控制系統組成。通過控制繼電器開關陣列實現充放電，為了將蓄電池組核對性放電對基站設備供電的影響降到最小，需要在確認電池組滿載荷（測試之前24小時未發生停電，且對電池組持續充電至少24小時或48小時）的條件下才能進行測試。測試開始時，主電源停止對電池組充電僅對設備負載供電，然后對電池組中的每節電池逐個進行放電檢測，測試過程產生的數據通過TC35模塊發送到手機終端。當檢測到電池電壓迅速下降或低于10.8V時停止放電，在檢測完畢之后對該節電池單獨充電。待電池電壓為13.6V時停止充電，然后開始下一節電池的放電測試。所有電池測試完畢后與蓄電池連接的繼電器全部斷開，系統等待下一次測試指令的發送。若檢測期間突然停電而被檢測電池電量即將耗盡，則將備用電池接通到該串電池，經限流電阻對該接電池充電。系統結構圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 電壓檢測

為保證電路高可靠性，電池組及大電流開關陣列與單片機控制電路需隔離，不能采用簡單的AD轉換檢測。電壓檢測部分采用LM331壓頻轉換芯片，先將電壓轉換成頻率傳輸到單片機，再通過單片機將頻率轉換成電壓，電壓檢測電路如圖2所示。

LM331是一種精密電壓頻率轉換芯片，可用作A/D轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器以及其他相關的器件。其最大線性度小于0.01%，支持單電源或雙電源供電，具有最大可達100dB的寬動態范圍，輸出頻率范圍在1Hz～100kHz。其內部結構如圖3所示，集成有輸入比較器、R-S觸發器、定時比較器、能隙基準電路、精密電流源、1.9V標準參考電壓、電流開關。

V/F轉換電路工作原理：當7腳輸入端輸入正電壓時，R-S觸發器被觸發輸出高電平，輸出驅動管導通，管腳3被拉低輸出邏輯低電平。同時是電流開關達到右邊，精密電流源對CL充電，同時也通過電阻Rt對Ct充電，當Ct兩端電壓大于2/3Vcc時，定時器比較器兩端輸出高電平使R-S觸發器復位輸出低電平，輸出晶體管截止，3腳輸出高電平，復零晶體管導通，Ct通過復零晶體管放電。電流開關打到左邊， CL通過RL放電，當CL電壓等于輸入電壓時，定時比較器再次觸發使R-S觸發器置位輸出高電平，開始下一個循環[2-3]。設CL充電時間為t1，放電時間為t2，根據電荷平衡原理有：（IR-Vi/RL）t1=t2ViRL，t1=1.1RtCt，f=t1+t2，IR由1.90V內部參考電壓和電阻Rp決定，IR=1.90/Rs整理得f=ViRp/（2.09RLRtCt），經測試發現電阻Rp精度對壓頻轉換的結果很大，宜采用固定阻值高精度低溫漂電阻。實測頻率范圍在0.8k～9.8kHz。

壓頻轉換電路的輸入端電壓不能高于芯片供電電壓，否則輸出頻率的線性度會受到影響，而蓄電池正常電壓為10.8V～13.6V，因此需做降壓處理才能接入電路。經降壓處理后的輸入電壓范圍為5.4V～6.8V，V=1.4V，由于電壓變化范圍較小，對應的輸出頻率變化不明顯，電壓檢測精度會受到影響。而壓頻轉換電路的輸入電壓有效范圍為0V到供電電壓之間，為了提高檢測精測，將輸入電壓經運放進行差分放大。如圖2所示，TL431產生5.25V的參考電壓，VTEST為降壓處理后的電壓，經差分處理后的電壓范圍為0.75～7.75V，V=7V。改變輸入電壓測得的輸出頻率如圖4所示。

從圖4可以看出，輸出電壓與輸出頻率之間有很高的線性度，使用Origin軟件線性擬合可以得到V-F轉換關系式：F=2.824*V-29.646。經測試電壓檢測精度為0.13V。

2.2 電流檢測

停電時需要檢測線路中電流，以此來估算蓄電池組剩余電量還能工作多長時間。電流檢測采用電阻取樣法，選取低阻值高精度采樣電阻（阻值為0.047）檢測電阻兩端的電壓，然后通過運放將采樣電阻電壓放大，最后經壓頻轉換電路傳輸到單片機再轉換成相應的電流值。電流檢測電路原理圖如圖5所示。

圖中A、B為采樣電阻兩端，C為蓄電池組最后一節的正極，不檢測電流時采樣電阻兩端被繼電器短接，當單片機控制端輸出高電平時光耦導通，通過光耦輸出端接穩壓電路為運放電路供電，同時繼電器斷開，采樣電阻開始工作。運放放大倍數為10倍，電流檢測電路中的V-F轉換電路和電壓檢測的結構保持一致。繼電器線圈兩端并接一個續流二級管，防止Q16截止時線圈產生的反向電動勢損壞三極管。電流檢測范圍為0～15A，電流檢測精度可達60mA。

2.3 市電監測電路

市電監測部分主要是為了檢測是否停電，以便在放電測試時監測到突然停電后及時切換備用蓄電池為設備供電。市電經阻容降壓后通過光耦進行隔離，當有市電時C6兩端電壓處于一種低電平狀態，停電后光耦輸出端截止，VCC通過電阻R6對C6充電，電壓逐漸升高，當單片機檢測到高電平即判定為處于停電狀態。圖6為市電監測部分電路圖。

3 停電時供電的均衡控制

蓄電池受各種參數差別的影響，在使用過程中各個電池單元性能很難保持一致[4]。且隨著使用時間的增加，電池之間的差異會逐漸增大。為了防止電池組中某一節電池處于過放電的情況需要對電池組進行均衡管理，減小各節電池之間的電壓差異。在停電時整個電池組開始對設備供電，每隔1分鐘依次對各單串電池電壓檢測一遍，另外通過檢測工作線路中的電流來估計蓄電池組剩余電量還能工作多長時間。如果發現其中某串電池電壓偏低（低于平均電壓0.3V），則將備用電池連接到該串電池。如果電量均勻下降，則將備用電池輪流與各串電池連接進行充電。

4 遠程控制系統軟件設計

系統采用STC12C5A60S2單片機結合TC35短信模塊進行遠程控制。TC35模塊是西門子公司生產的一款GSM無線通信模塊，工作電壓為3.3～5.5V，工作在GSM 900M、1800M雙頻段，支持語音和數據信號傳輸，自適應波特率為1.2kb/s～115kb/s[5]，利用AT 指令可進行數據、指令雙向傳輸，可實現打電話、接電話、收發短信等功能。支持Text和PDU兩種格式的短信。TC35模塊通過串口和接地線與單片機連接，單片機通過串口向TC35模塊發送AT指令實現對其控制。測試采集到的數據通過短信息的方式經TC35發送到手機端處理。短信的發送和接收模式共有3種;Text模式、PDU模式和Block模式，Text模式的短信發送和接收比較簡單[6]，由于系統只需要發送數字和字母則采用Text模式發送短信。

系統軟件控制流程圖如圖7所示。系統初始化后就處于等待測試指令狀態，開始充放電測試時，首先向短信模塊內置SIM卡號發送指定內容短信，TC35模塊接收到短信后，單片機提取短信內容并判斷與測試短信內容相符后開始控制系統進行充放電測試。系統測試得到的數據經單片機處理后由TC35模塊發送到手機端進行處理。當每節電池放完電后控制繼電器開關對該節電池進行充電，充滿電后繼續下一節電池的充放電測試，依次循環，直到最后一節電池測試完畢。如果測試過程突然停電則停止測試，將電池組切換為對設備供電，并對蓄電池組進行供電均衡。

為了便于查看放電過程中蓄電池組電壓、電流變化，開發了安卓手機客戶端，app界面如圖8所示。圖中所示號碼為TC35模塊內的手機號，連續數字串為測試得到的數據，每4位數字表示電壓/電流值。發送時按照電流+四節電池電壓的格式，如圖8所示，0464表示當前電流值為4.64A，1193表示第一電池電壓為11.93V，1223表示第二節電池電壓為12.23V，依次類推。點擊“發短信”按鈕后，手機就會向TC35模塊發送指定短信，系統開始測試，手機端接收到測試數據后，對短信內容進行提取，然后將電壓和電流值用折現圖表示。電流系數、水平擴展分別為電流的縱向顯示比例和電壓的橫向顯示間隔。

5 結論

為了解決蓄電池核對性放電需要人工記錄數據的問題，本文設計了蓄電池組遠程監控均衡系統。可通過TC35短信模塊實現蓄電池組自動充放電測試以及測試數據的遠程傳輸。本系統可達到15A的大工作電流要求，將蓄電池工作電壓/電流經差分處理和放大以增加檢測精度、通過幅度-脈沖頻率轉換隔離傳輸到單片機，再轉換為相應的電壓電流值，也減小了電流采樣電阻及其功耗。電壓、電流隔離檢測的精度分別達到0.13V、60mA。同時能應對電池容量檢測剛放電完時突然斷電的緊急供電需求。所有參數均可遠程傳輸到手機端監視和處理。

【參考文獻】

[1]葉松，毛源.基站蓄電池組的遠程核對性放電管理[J].通信電源技術，2007，24（5）：69-71.DOI：10.3969/j.issn.1009-3664.2007.05.022.

[2]林漢.LM331壓頻變換器的原理及應用[J].國外電子元器件，1999（第10期）：20-22.

[3]苑舜，劉紅江，蔡志遠.一種光纖隔離式直流信號傳輸裝置的設計[J].遼寧科技大學學報，2015（第5期）：366-369.

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[5]穆佩紅，閆柏玲，牛玉剛.GSM水浸報警系統的設計與實現[J].自動化儀表，2016，37（06）：43-46.

[6]葉丹霞，王家禮.GSM模塊TC35及在遠程監控系統中的應用[J].現代電子技術，2005（05）：62-64.