軍用航空蓄電池充放電監(jiān)測系統(tǒng)的設計

李勛章，張 濤，范紅軍

（海軍航空大學 青島校區(qū)，青島266041）

航空兵部隊使用的化學電源都是蓄電池，又稱為航空蓄電池。 航空蓄電池在飛機上有著極其重要的作用，只有具備了高質(zhì)量的航空蓄電池，才能確保軍用飛機順利地起飛升空、安全飛行。 根據(jù)相關(guān)的使用維護要求，需要定期通過航空蓄電池專用充放電設備對航空蓄電池進行充放電操作，以保證其良好的工作性能。 一般充放電時間都較長，為了判斷充放電是否完成， 以及預防充放電事故的發(fā)生，需要全程按照一定的時間間隔進行充放電數(shù)據(jù)的記錄。 這項工作以往都是由部隊工作人員手動來完成，人力耗費巨大，而且由于人工參與過多，很容易出現(xiàn)各種問題。 因此有必要研制一套全自動的充放電監(jiān)測系統(tǒng)。

所設計的監(jiān)測系統(tǒng)以單片機應用系統(tǒng)為中心，能夠?qū)崿F(xiàn)快速準確測量各型軍用航空蓄電池的充放電數(shù)據(jù)，并以此為根據(jù)進行充放電過程中各項任務的監(jiān)測、預測以及事故預警。

1 總體設計方案

要實現(xiàn)充放電過程中各項任務的監(jiān)測、預測以及事故預警功能，首先要求監(jiān)測系統(tǒng)能夠完成對充放電數(shù)據(jù)（如單元格電壓、蓄電池溫度、蓄電池總電壓等）的實時檢測，其次要保證監(jiān)測系統(tǒng)完成對數(shù)據(jù)的計算，對充電狀態(tài)的分析以及對充電事故的預警[1]。 根據(jù)這一思路，監(jiān)測系統(tǒng)的主要設計功能包括：通過自主研制的軍用航空蓄電池專用監(jiān)測扣板裝置，自動檢測充放電數(shù)據(jù)，檢測的數(shù)據(jù)傳輸至以單片機為控制中心的上位機系統(tǒng)進行分析處理；監(jiān)測結(jié)果通過觸摸屏進行顯示；故障信息通過閃光燈報警裝置進行預先閃光報警；測試結(jié)果通過微型打印機進行即時打印輸出。

監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計如圖1 所示。 根據(jù)設計功能的確定，監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：單片機系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、顯示輸出系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。 其中，單片機系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的處理以及與顯示輸出系統(tǒng)的交互；信號處理系統(tǒng)完成對充放電數(shù)據(jù)的采集和調(diào)理，包括專用監(jiān)測扣板、信號調(diào)理模塊；顯示輸出系統(tǒng)完成人機交互、結(jié)果顯示、閃光報警、打印輸出等功能；軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的處理、交互通訊、分析預測等功能。

圖1 總體設計框圖Fig.1 Overall design block diagram

2 硬件系統(tǒng)的設計

硬件系統(tǒng)的設計包括：單片機系統(tǒng)設計、專用監(jiān)測扣板裝置設計、通訊電路設計、輸入信號硬件濾波電路設計、升壓電源系統(tǒng)設計。

2.1 單片機系統(tǒng)設計

1） 核心處理器 MCU 采用ATmega16 型單片機。 ATmega16 是ATMEL 公司生產(chǎn)的基于增強的AVR RISC（精簡指令集計算機reduced instruction set computer） 結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS 微處理器。它具有16 kB 系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash 存儲器，512 B的EEPROM，1 kB 的SRAM，內(nèi)置8 路10 位具有可選差分輸入級可編程增益的A/D 轉(zhuǎn)換器，1 個SPI串行端口，以及6 個可以用于軟件進行選擇的省電模式[2]。

2）標準信號采集系統(tǒng)設計 該采集系統(tǒng)要求的最高精度為直流電壓信號測量精度為0.5 級，即測量誤差為0.5%，綜合轉(zhuǎn)換誤差和系統(tǒng)誤差，滿足采集系統(tǒng)要求的A/D 轉(zhuǎn)換芯片要達到10 位以上，即分辨率滿足0.1%[3]。

經(jīng)過指標分析，測試系統(tǒng)最終采用ADS7818 作為采集器，采用CD4067 實現(xiàn)16 路通道的切換式輸入，采集速度依靠軟件控制為2 kHz。

3）其他部分設計 采用TI 公司的SN74HC244芯片作為緩沖驅(qū)動芯片；采用串行輸入/并行輸出芯片SN74HC595 作為開關(guān)量輸出芯片，大大節(jié)省了系統(tǒng)的I/O 口開支；采用CA3130 芯片搭建比較器電路；采用4N25 芯片完成輸入信號的隔離和整形； 采用SN74HC04 芯片搭建施密特整形電路， 提高系統(tǒng)輸入/輸出的穩(wěn)定性；采用RX8025A 芯片配合鋰電池搭建時鐘日歷電路，完成年/月/日/時/分/秒等時間參數(shù)的處理； 采用24C16 串行EEPROM 實現(xiàn)初始化參數(shù)和斷電恢復參數(shù)的非易失性保存；采用MAX232芯片實現(xiàn)單片機系統(tǒng)與觸摸屏的串行通訊等。

2.2 專用監(jiān)測扣板裝置設計

2.2.1 設計原理

對軍用航空蓄電池充放電進行監(jiān)測，不能改變蓄電池的任何結(jié)構(gòu)，故采用將扣板裝置直接扣在蓄電池表面的方法。 即：通過扣板裝置下面裝配的彈簧探針進行電信號連接，通過扣板裝置兩邊的懸掛鎖扣進行扣板裝置與蓄電池的緊密連接，由于彈簧具有一定的伸縮性，所以可以保證每個單元格的電極表面都能與探針緊密結(jié)合，保證了測量信號的準確性。

2.2.2 加工工藝

通過上述設計原理， 委托精密機械加工廠設計、加工了該扣板裝置。 扣板裝置整體采用PVC 絕緣板，探針的外殼采用不銹鋼材質(zhì)，探針彈簧以及探針頭采用鍍銀工藝以保證被測信號不被衰減[4]。整個扣板裝置設計充分考慮了部隊充電人員的實際使用情況，采用“灌脂”工藝進行整體加工，使裝置具有很強的抗震能力。 扣板及探針的外形如圖2所示。

圖2 扣板和探針Fig.2 Gusset plate and probe

2.3 通訊電路設計

部隊的充放電工作場所分布全國各地，有的處于炎熱的南方，有的處于寒冷的北方，所處環(huán)境比較苛刻，如果采用普通的液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)會存在高溫照射模糊、易花屏、低溫結(jié)晶等問題，因此本監(jiān)測系統(tǒng)采用了工業(yè)PLC 觸摸屏作為顯示終端。該類觸摸屏廣泛應用于復雜惡劣環(huán)境， 性能穩(wěn)定、抗干擾能力強。

在工業(yè)現(xiàn)場，PLC 觸摸屏一般與PLC 配套直接相連， 廠家提供的出場程序都是面對PLC 控制器的，如果要將觸摸屏與單片機系統(tǒng)聯(lián)機則需要自行開發(fā)設計通訊程序。 該監(jiān)測系統(tǒng)采用異步串行通訊， 在充分理解工業(yè)Modbus 通訊協(xié)議原理的基礎(chǔ)上， 自主研發(fā)了PLC 觸摸屏與單片機系統(tǒng)連接的Modbus 通訊協(xié)議。該通訊協(xié)議可直接應用于單片機常用的RS232 通訊接口，經(jīng)過反復調(diào)試，成功實現(xiàn)了兩者的聯(lián)機，解決了同類產(chǎn)品在顯示方面長期存在的一大難題， 具體程序已形成模塊化程序包，可在同類產(chǎn)品開發(fā)中重復使用。

同時考慮到部隊的實際工作場所中，電氣設備特別是高頻電氣設備眾多，存在著較多的電磁干擾，會對通訊的鏈路產(chǎn)生一定的干擾。 因此，為了提高系統(tǒng)運行的可靠性，采用了隔離式RS232 通訊，設計完成了單片機系統(tǒng)與PLC 觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通訊，保證通訊電路中單片機一側(cè)與觸摸屏一側(cè)在電路上實現(xiàn)完全的隔離。 其具體的電路如圖3所示。

圖3 隔離式RS232 通訊電路Fig.3 Isolated RS232 communication circuit

圖中，TX（發(fā)射口）、RX（接收口）、CTRL（控制口）直接來自于單片機系統(tǒng)；TX_OUT（發(fā)射口）、RX_OUT（接收口）、CTRL_OUT（控制口）接 至MX232通訊芯片；單片機系統(tǒng)和MX232 通訊芯片通過日本東芝高速光隔TLP113 進行光電隔離。 所設計的隔離式RS232 通訊電路可實現(xiàn)最高19200 波特率的通訊速率，考慮到穩(wěn)定性，實際軟件中設置通訊速率為9600 波特率。

2.4 輸入信號硬件濾波電路設計

由探針引入的輸入信號會因接觸的抖動而產(chǎn)生一系列疊加在有用信號上的毛刺信號，這些毛刺信號對于真實的輸入信號來說屬于干擾信號，必須設置特定電路進行濾除。 該監(jiān)測系統(tǒng)設計了專用濾波電路進行干擾信號濾波[5]，具體電路如圖4 所示。

圖4 濾波電路Fig.4 Filter circuit

采用2 階高、 低通濾波器構(gòu)成0～0.01 Hz 帶通濾波器。 其中高通濾波器采用2 階壓控電壓源高通濾波，其傳遞函數(shù)為

幅頻響應為

式中：ωn為特征角頻率；Q 為等效品質(zhì)因數(shù)。

采用該帶通濾波器后，可有效地濾除低頻信號的干擾，保證信號的準確，濾波前后的信號如圖5所示。

圖5 濾波前后的信號Fig.5 Signal before and after filtering

2.5 升壓電源系統(tǒng)設計

監(jiān)測系統(tǒng)的工作電源為+24 V，來自于被測的蓄電池， 而不同類型的軍用航空蓄電池種類不同，有12 V 和24 V 兩種，當蓄電池為12 V 時，監(jiān)測系統(tǒng)法無法正常工作。 因此設計了升壓電源系統(tǒng)，完成12～24 V 的升壓功能， 保證在不同軍用航空蓄電池供電狀態(tài)下監(jiān)測系統(tǒng)均能正常工作。 具體的電路如圖6 所示。

圖6 12～24 V 升壓電源電路Fig.6 12～24 V boost power supply circuit

設計使用一個放大器作為一個方波振蕩器，環(huán)形電感器和另一個運算放大器作為反饋回路。 其中，R6為50 kΩ 可調(diào)電阻，可以通過調(diào)整R6來調(diào)整最終輸出電壓的大小。 最終輸出電壓為

其中

最終計算出Vout=24 V。 該電源電路的輸出漂移量小，可在不同航空蓄電池供電下，提供穩(wěn)定的輸+24 V 出源。

3 軟件系統(tǒng)的設計

在此主要采用keil C 語言編程[7]完成各硬件驅(qū)動程序的開發(fā)與封裝，在此給出部分驅(qū)動示例。

4 具體實現(xiàn)

監(jiān)測系統(tǒng)的外形如圖7 所示。

該監(jiān)測系統(tǒng)于2018 年在部隊飛機場站投入使用。 自使用以來，監(jiān)測系統(tǒng)在每次航空蓄電池充放電過程中都投入了使用，均圓滿完成了各項任務，節(jié)省了大量的人力物力，提高了裝備保障的效率，具有較高的使用價值。

圖7 監(jiān)測系統(tǒng)的外形Fig.7 Outline drawing of monitoring system

5 結(jié)語

為了滿足維護需求，在此設計了以單片機為核心的軍用航空蓄電池充放電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合專用的監(jiān)測扣板和自動化測試技術(shù)，實現(xiàn)了對充放電過程的全程監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)充放電過程中各項任務的監(jiān)測、預測以及事故預警，解決了傳統(tǒng)人工操作方式中人力、物力耗費大的問題，應用前景較好，可以對其他自動監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)起到借鑒作用。