基于CAN总线的蓄电池组检测传感器设计与实现
日期：2006-4-28 10:20:52 来源：本文摘自《PLC&FA》
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随着通信、电子和能源技术的不断发展, 蓄电池在民用和工业生产中应用越来越广泛, 作用越来越重要。为保障控制系统持续稳定的运行, 研究与设计高效廉价、准确方便和快捷实用的蓄电池检测装置就显得十分的有必要。
蓄电池在直流电力系统中一般有浮充和充放充两种工作方式，如图1所示。浮充电工作方式中蓄电池组以并联方式接到整流装置输出端(直流负载输入端)，保证不间断地向负载供电，主要用于固定场所;充-放-充工作方式一般用于移动设备上，由于蓄电池组是由多块相同单体蓄电池串联而成，各单体蓄电池过充电、过放电或者放电不足均易引起电池故障，某个单体蓄电池的故障也会导致整个蓄电池组的故障及损坏。因此，必须通过在线实时检测蓄电池充放电各单体蓄电池的充放电电压、充放电时的温升、整个蓄电池组的充放电电流及充放电电压等参数, 找出损坏或性能显著降低的蓄电池，以保证直流电力系统稳定可靠。
因此，对于蓄电池组的检测应该采取分散采集、集中监控的方式。一般的检测采用的是RS-232或RS-485总线，但由于其为主从方式总线，检测终端无法主动地向上位机发送数据。本系统设计了非主从方式的CAN作为蓄电池组的分步式采集总线，使得检测系统具有高可靠性、可扩充性和实时性等优点。
CAN(Controller Area Network)是由德国BOSH公司为汽车的监测和控制系统设计的一款串行通信网络。CAN总线可以多主方式工作不分主从，可以点对点、点对多点及全局广播方式传送和接收数据，且具有非破坏性总线仲裁技术;以5kbps的方式通信距离最大可达10km，传输介质可用双绞线、同轴电缆或光纤;CAN总线采用短帧结构，每帧为8字节，保证了数据出错率极低，被公认为是最有发展前途的现场总线之一。
2.2 蓄电池检测系统总体设计
系统的总体设计框图如图2所示。24个单体检测单元分别检测蓄电池组的24节单体电池的电压和电流，各个检测单元的硬件结构十分相似，同时还有一个单独的检测单元用来检测蓄电池组整体的电压和电流。检测单元实时监测并向CAN总线发送数据，上位机接收各个检测单元的数据，并对数据进行分析、处理、存储、显示和打印，同时对单体电池的故障进行诊断和报警。
2.3 单体电池检测单元的设计
电池单体电压检测的功能是实现对单体电池电压和温度的检测和网络传输。该单元由电压信号变换、单片机系统、CAN总线接口和电源组成。该单元是基于CAN通信的电压检测模块，检测到的电压模拟信号经处理并数字化后，通过CAN总线传输给控制管理单元。单体电池检测单元的电路图如图3所示:
检测终端采集到蓄电池单体电压和温度信号后，进行放大，滤波、模/数转换和隔离后，送入单片机，单片机将通过CAN总线与上位机进行数据通信。
其中，检测电路采用串行接口的12位A/D转换器，采用周期小于20ms，通过光电隔离于单片机连接。单片机采用低功耗、小体积8位单片机LPC935。该单元用LED指示工作状态。通过带有串行接口的CAN控制器与单片机连接，CAN总线用于向上位机传输检测数据。单元内的隔离电源采用小型DC/DC模块电源。
2.4 检测系统的工作原理分析
各个检测单元将检测到的电流、电压和温度数据按CAN总线规范存储到CAN缓冲区，并启动发送命令将数据发送到CAN总线上，这些数据通过CAN总线向上位机进行发送[4]。上位机的CAN控制器将接收到的数据存储在缓冲器中，向上位机的CPU发送中断请求，若上位机响应中断，则接收这些数据并进行处理，将其转化成电压、电流和温度信号显示出来，同时还对这些信号进行一定的分析和诊断，若发现有异常情况，则发出警告信息(蜂鸣器响，红灯亮)。
1 引言
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随着通信、电子和能源技术的不断发展, 蓄电池在民用和工业生产中应用越来越广泛, 作用越来越重要。为保障控制系统持续稳定的运行, 研究与设计高效廉价、准确方便和快捷实用的蓄电池检测装置就显得十分的有必要。
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蓄电池在直流电力系统中一般有浮充和充放充两种工作方式，如图1所示。浮充电工作方式中蓄电池组以并联方式接到整流装置输出端(直流负载输入端)，保证不间断地向负载供电，主要用于固定场所;充-放-充工作方式一般用于移动设备上，由于蓄电池组是由多块相同单体蓄电池串联而成，各单体蓄电池过充电、过放电或者放电不足均易引起电池故障，某个单体蓄电池的故障也会导致整个蓄电池组的故障及损坏。因此，必须通过在线实时检测蓄电池充放电各单体蓄电池的充放电电压、充放电时的温升、整个蓄电池组的充放电电流及充放电电压等参数, 找出损坏或性能显著降低的蓄电池，以保证直流电力系统稳定可靠。
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因此，对于蓄电池组的检测应该采取分散采集、集中监控的方式。一般的检测采用的是RS-232或RS-485总线，但由于其为主从方式总线，检测终端无法主动地向上位机发送数据。本系统设计了非主从方式的CAN作为蓄电池组的分步式采集总线，使得检测系统具有高可靠性、可扩充性和实时性等优点。
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图1 蓄电池组的两种工作方式
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2 系统的总体组成和工作原理WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
2.1 CAN总线介绍[2]
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CAN(Controller Area Network)是由德国BOSH公司为汽车的监测和控制系统设计的一款串行通信网络。CAN总线可以多主方式工作不分主从，可以点对点、点对多点及全局广播方式传送和接收数据，且具有非破坏性总线仲裁技术;以5kbps的方式通信距离最大可达10km，传输介质可用双绞线、同轴电缆或光纤;CAN总线采用短帧结构，每帧为8字节，保证了数据出错率极低，被公认为是最有发展前途的现场总线之一。
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2.2 蓄电池检测系统总体设计
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系统的总体设计框图如图2所示。24个单体检测单元分别检测蓄电池组的24节单体电池的电压和电流，各个检测单元的硬件结构十分相似，同时还有一个单独的检测单元用来检测蓄电池组整体的电压和电流。检测单元实时监测并向CAN总线发送数据，上位机接收各个检测单元的数据，并对数据进行分析、处理、存储、显示和打印，同时对单体电池的故障进行诊断和报警。
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图2 蓄电池检测系统总体框图
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2.3 单体电池检测单元的设计
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电池单体电压检测的功能是实现对单体电池电压和温度的检测和网络传输。该单元由电压信号变换、单片机系统、CAN总线接口和电源组成。该单元是基于CAN通信的电压检测模块，检测到的电压模拟信号经处理并数字化后，通过CAN总线传输给控制管理单元。单体电池检测单元的电路图如图3所示:
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图3 单体电池检测系统总体设计框图
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检测终端采集到蓄电池单体电压和温度信号后，进行放大，滤波、模/数转换和隔离后，送入单片机，单片机将通过CAN总线与上位机进行数据通信。
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其中，检测电路采用串行接口的12位A/D转换器，采用周期小于20ms，通过光电隔离于单片机连接。单片机采用低功耗、小体积8位单片机LPC935。该单元用LED指示工作状态。通过带有串行接口的CAN控制器与单片机连接，CAN总线用于向上位机传输检测数据。单元内的隔离电源采用小型DC/DC模块电源。
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2.4 检测系统的工作原理分析
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各个检测单元将检测到的电流、电压和温度数据按CAN总线规范存储到CAN缓冲区，并启动发送命令将数据发送到CAN总线上，这些数据通过CAN总线向上位机进行发送[4]。上位机的CAN控制器将接收到的数据存储在缓冲器中，向上位机的CPU发送中断请求，若上位机响应中断，则接收这些数据并进行处理，将其转化成电压、电流和温度信号显示出来，同时还对这些信号进行一定的分析和诊断，若发现有异常情况，则发出警告信息(蜂鸣器响，红灯亮)。
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