基于內(nèi)阻測(cè)量法的蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</p><p>　題 目：基于內(nèi)阻測(cè)量法的蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　學(xué) 院：</p><p>　學(xué)生姓名：</p><p>　專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化</p><p>　班 級(jí)：</p><p>　指導(dǎo)教師：&

2、lt;/p><p>　起止日期：</p><p>　　基于內(nèi)阻測(cè)量法的蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　蓄電池作為電力系統(tǒng)在停電時(shí)的后備電源，擔(dān)負(fù)著在生產(chǎn)、生活等很多方面都有著十分廣泛的應(yīng)用，因此在國(guó)內(nèi)外受到廣泛關(guān)注。而因蓄電池發(fā)生故障引發(fā)的電網(wǎng)崩潰時(shí)間時(shí)有發(fā)生，所以對(duì)蓄電

3、池進(jìn)行維護(hù)和監(jiān)測(cè)等技術(shù)成為十分重要的問(wèn)題。蓄電池的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也成為研究的一個(gè)重要部分。</p><p>　　蓄電池組在正常運(yùn)行情況下總是處于熱備用狀態(tài)，由充電設(shè)備對(duì)其進(jìn)行浮充電，在交流停電時(shí)為負(fù)載提供不間斷電源，此時(shí)蓄電池組的容量應(yīng)該滿足事故停電時(shí)間內(nèi)的放電容量。隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)的容量的日益龐大，對(duì)這些領(lǐng)域應(yīng)用的蓄電池組的可靠性就提出了更高的要求以滿足于實(shí)際應(yīng)用的需求，對(duì)于這些無(wú)人職守站和機(jī)房后備直流

4、電源進(jìn)行日常的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控是必不可少的，重要的變電站要求配置蓄電池監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)蓄電池的狀態(tài)。</p><p>　　本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外內(nèi)阻測(cè)量方法原理的分析和探討，并且考慮到在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用需要，內(nèi)阻測(cè)量法判定蓄電池性能已經(jīng)是目前業(yè)界公認(rèn)的方法。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合需求的考慮，提出了適合在線測(cè)量的理想的設(shè)計(jì)方案，本模塊體積小，采用小電流放電對(duì)蓄電池不會(huì)造成損壞，而且成本低，還具有連接簡(jiǎn)單、安全、可靠性高、

5、使用壽命長(zhǎng)和數(shù)據(jù)刷新率大幅度提高等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)是采用一個(gè)蓄電池配一個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的方式，目標(biāo)就是為了降低對(duì)蓄電池組每個(gè)單體蓄電池都監(jiān)控包括安裝成本和電纜連接加起來(lái)的總成本，高度的集成度大人降低了模塊的成本，而且串行通信和無(wú)線通信兩種通信方式更一步簡(jiǎn)化了安裝，確保了模塊更高的可靠性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：蓄電池；在線監(jiān)測(cè)；內(nèi)阻；直流放電法</p><p><b>　　A

6、BSTRACT</b></p><p>　　The battery in power system of power as the backup power, bearing in production, life, etc are in many ways has a very wide range of application, so the attention at home and abroa

7、d. And because of failure caused by the battery power grid collapse time to happen from time to tome, so for battery for maintenance and monitoring technology as a very important problem. The battery on-line monitoring s

8、ystem has become an important part of the research.</p><p>　　Battery pack in the normal operation conditions is always in the hot standby state, from charging equipment of the charging float, in exchange for

9、 the load of power to provide uninterrupted power supply, at this time the capacity of the battery pack should meet accident in the time power discharge capacity. With modern electric power system and the communication s

10、ystem of an increasingly large capacity, in these fields of application of the reliability of the battery pack and put forward higher </p><p>　　This article through to the inner resistance measurement method

11、s at home and abroad is analyzed and discussed the principle, and considering the practical application of on-line monitoring equipment need, internal impedance measurement method has the function is the determination me

12、thod of industry recognized. With project reality applications needs consideration, put forward the suitable for online measurement of the ideal, the design of this module small volume, use the small current discharge<

13、;/p><p>　　Keywords: battery; On-line monitoring; Resistance; Dc discharge method</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的

14、發(fā)展前景1</p><p>　　1.2內(nèi)阻測(cè)量法的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1</p><p>　　1.3課題的任務(wù)與要求2</p><p>　　第2章 蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)和基本原理3</p><p>　　2.1系統(tǒng)的整體架構(gòu)3</p><p>　　2.1.1主控模塊3</p>&

15、lt;p>　　2.1.2節(jié)點(diǎn)模塊3</p><p>　　2.2蓄電池內(nèi)阻測(cè)量方法3</p><p>　　2.3內(nèi)阻在線監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)4</p><p>　　第3章 節(jié)點(diǎn)模塊硬件5</p><p><b>　　3.1電源設(shè)計(jì)5</b></p><p>　　3.1.1電源原理設(shè)計(jì)圖5&l

16、t;/p><p>　　3.1.2電路實(shí)現(xiàn)5</p><p>　　3.2可控放電的設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.2.1可控放電原理設(shè)計(jì)圖5</p><p>　　3.2.2電路的實(shí)現(xiàn)6</p><p><b>　　3.3內(nèi)阻測(cè)量6</b></p><p>　　3.3.1

17、內(nèi)阻測(cè)量原理圖6</p><p>　　3.3.2內(nèi)阻測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)7</p><p><b>　　3.4電壓測(cè)量7</b></p><p>　　3.4.1電壓測(cè)量原理設(shè)計(jì)圖7</p><p>　　3.4.2電壓測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)8</p><p><b>　　3.5MCU8<

18、;/b></p><p>　　3.5.1MCU原理設(shè)計(jì)圖8</p><p>　　3.5.2MCU電路的實(shí)現(xiàn)8</p><p><b>　　3.6通信設(shè)計(jì)9</b></p><p>　　3.6.1有線通信原理設(shè)計(jì)圖9</p><p>　　3.6.2有線通信電路實(shí)現(xiàn)9</p>

19、;<p>　　3.6.3無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn)10</p><p>　　3.7實(shí)現(xiàn)體制10</p><p>　　3.7.1總體概述10</p><p>　　3.7.2內(nèi)阻測(cè)量算法10</p><p>　　第4章 節(jié)點(diǎn)模塊軟件13</p><p><b>　　4.1概述13</b>

20、</p><p>　　4.2軟件功能及流程圖13</p><p>　　4.3函數(shù)說(shuō)明15</p><p>　　4.4MODBUS通訊協(xié)議16</p><p>　　4.4.1通信機(jī)制16</p><p>　　4.4.2消息格式16</p><p>　　4.5MiWiTMP2P無(wú)線通信協(xié)議

21、18</p><p>　　4.5.1基本特性18</p><p>　　4.5.2通信機(jī)制18</p><p>　　4.5.3消息格式19</p><p>　　4.5.4應(yīng)用程序接口函數(shù)19</p><p><b>　　結(jié)論21</b></p><p><b

22、>　　致謝22</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　這是一個(gè)嶄新的世界，隨著各行各業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)電的使用率也越來(lái)越高，可以說(shuō)電是生活中不可或缺的一部分。然而時(shí)常出現(xiàn)的電力故障往往會(huì)影響生活和生產(chǎn)，所以越來(lái)

23、越多的產(chǎn)業(yè)都使用蓄電池來(lái)保證對(duì)電的不間斷供應(yīng)，避免意外停電帶來(lái)的影響。</p><p>　　1.1蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展前景</p><p>　　由于蓄電池缺少維護(hù)和監(jiān)測(cè)，往往使他的壽命少于理論中壽命。蓄電池的電池反應(yīng)屬于一個(gè)比較復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，蓄電池由于電解液比重很大，浮充電流也重大，電極腐蝕的相當(dāng)快，電極腐蝕消耗掉蓄電池內(nèi)的氧氣，使得電池變干。而且蓄電池在充電的時(shí)候是經(jīng)化合反應(yīng)儲(chǔ)存

24、電能的，在充電過(guò)程中，由于板柵的腐蝕，使得化和的時(shí)候氣體的化合速率比不上產(chǎn)生氣體的速度，致使一部分氣體外溢，所以造成了中間有部分的水損失；在充電的時(shí)候也會(huì)產(chǎn)生熱量，雖然不會(huì)熱量散失，但是如果沒(méi)冷卻不充分，會(huì)造成熱失控。</p><p>　　以上資料表明，蓄電池用了將近3-4年后，蓄電池的容量會(huì)有較多損失，很難通過(guò)容量測(cè)試，蓄電池的實(shí)效，使得備用電源無(wú)法安全可靠的運(yùn)行。而目前對(duì)于蓄電池的維護(hù)和檢修，出了進(jìn)行一些必要

25、的日常維護(hù)之外，比如，蓄電池的清潔，檢查接觸裝置和導(dǎo)線的連接是否正常等，那就不得不使用各種儀器去檢測(cè)，通電或者斷電對(duì)蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)和容量去檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)有故障的蓄電池，從而換掉來(lái)提高蓄電池的使用率。</p><p>　　1.2內(nèi)阻測(cè)量法的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是為觀察蓄電池自身狀態(tài)而研究設(shè)計(jì)的一個(gè)系統(tǒng)。用內(nèi)阻測(cè)量法來(lái)判斷蓄電池的性能，實(shí)現(xiàn)

26、在線監(jiān)測(cè)，是目前公認(rèn)的最佳方法之一。蓄電池的內(nèi)阻和普通的電阻元器件不一樣，蓄電池是有源器件，不可以用普通的萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量，必須要用特殊的方法去測(cè)量，目前國(guó)內(nèi)外常用的測(cè)量方法有：直流放電法，單一頻率交流法，多頻率電化學(xué)阻抗分析法。不同的測(cè)量方法有著不同的評(píng)價(jià)和局限，不同的方法對(duì)同一個(gè)蓄電池也會(huì)得到不同的參數(shù)值，不能說(shuō)哪個(gè)是正確的或者說(shuō)哪一個(gè)是錯(cuò)誤的。就拿直流放電法來(lái)說(shuō)，它是連接一個(gè)負(fù)載，讓其短時(shí)間的大電流放電，僅僅維持幾秒鐘，電流范圍從25

27、安培到70安培甚至更大，放電電流大小取決于電池的容量和型號(hào)，電壓的跌落和負(fù)載上電流的比值就是蓄電池的內(nèi)阻大小。通過(guò)負(fù)載接通時(shí)候的瞬間電壓降和斷開(kāi)負(fù)載的時(shí)候瞬間電壓恢復(fù)，就可以得到相應(yīng)的內(nèi)阻。兩次放電可以得到更精確的結(jié)果。它的優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)精確，實(shí)驗(yàn)的可重現(xiàn)性很高，測(cè)量出來(lái)的精確度高，控制的好的話，誤差往往在0.1%之內(nèi)。</p><p>　　內(nèi)阻測(cè)量法不僅可以對(duì)蓄電池進(jìn)行日常維護(hù)，也可以對(duì)一些蓄電池組工程進(jìn)行驗(yàn)收。僅

28、僅依靠檢測(cè)蓄電池的電壓和電容兩個(gè)數(shù)據(jù)很難判斷一個(gè)電池的質(zhì)量好壞，而蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)則可通過(guò)對(duì)電壓，內(nèi)阻等各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并對(duì)比不同環(huán)境測(cè)量所積累的測(cè)量數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行分析，判定蓄電池性能的好壞，這樣大大提高了效率，也減少了維護(hù)人員的工作量，并能提早換掉不好的蓄電池，提高后備電源系統(tǒng)的可靠性，也有利于用戶減少損失。</p><p>　　從各個(gè)方面表示，蓄電池的監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為蓄電池的應(yīng)用領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，怎么樣實(shí)時(shí)實(shí)地的準(zhǔn)確

29、快速的對(duì)蓄電池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)監(jiān)測(cè)給出的參數(shù)進(jìn)行分析比較，從而判斷出蓄電池的工作狀態(tài)，檢查出存在問(wèn)題的蓄電池，并進(jìn)行及時(shí)的維護(hù)和替換，以此來(lái)保證系統(tǒng)的運(yùn)行是正常的，這些方面無(wú)疑是目前研究的重點(diǎn)。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外對(duì)蓄電池的研究，蓄電池的溫度還有內(nèi)部電流大小的測(cè)量，這些方面的技術(shù)都是比較成熟的相對(duì)比而言，國(guó)外的蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)比較成熟，相對(duì)于國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，這些技術(shù)對(duì)我國(guó)繼續(xù)深入的研究蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以起到導(dǎo)航和鼓勵(lì)作用

30、，讓我們的研究有著一定的方向。</p><p>　　隨著科技的不斷進(jìn)步，特別是無(wú)線技術(shù)以及自動(dòng)化系統(tǒng)等方面研究的不斷深入，使的這些技術(shù)也被運(yùn)用到蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中來(lái)。例如遠(yuǎn)程管理就被廣泛運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)中來(lái)，電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以和集中監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)機(jī)，通過(guò)遠(yuǎn)程管理軟件可以查看電池現(xiàn)在的運(yùn)行狀況，也可查看他的歷史運(yùn)行時(shí)間，如果發(fā)生意外，可通過(guò)監(jiān)測(cè)過(guò)程發(fā)出的警報(bào)和信息，決定派人去維護(hù)的可行性，這個(gè)再無(wú)人值班的變電站中被推廣。<

31、/p><p>　　蓄電池的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是在蓄電池運(yùn)行的過(guò)程中把蓄電池的真實(shí)運(yùn)行狀況很好的掌握好，確保蓄電池在遇到任何的突發(fā)運(yùn)行下有足夠的動(dòng)力，所以說(shuō)，蓄電池的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有很深遠(yuǎn)的意義：可以使得蓄電池得到很好的維護(hù)和檢修，防止突然斷電后造成的設(shè)備損壞或者防止因?yàn)閿嚯姸沟靡恍┰O(shè)備停止運(yùn)行而引起的重大事故或者巨大的經(jīng)濟(jì)損失；也有利于改善蓄電池的使用條件，延長(zhǎng)它的使用壽命，掌握蓄電池容量的衰減狀況，減少不必要的更換費(fèi)

32、用，也降低了維護(hù)費(fèi)用，便于集中管理和管理的網(wǎng)絡(luò)化。</p><p>　　1.3課題的任務(wù)與要求</p><p>　　針對(duì)蓄電池的工作狀態(tài)，采用內(nèi)阻測(cè)量法設(shè)計(jì)蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成蓄電池在線監(jiān)測(cè)設(shè)備中的節(jié)點(diǎn)模塊軟、硬件設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)時(shí)采集處于浮充狀態(tài)下的蓄電池的內(nèi)阻、電壓、電流和溫度等參數(shù)預(yù)測(cè)蓄電池性能。</p><p>　　1．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 主要介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部

33、分特點(diǎn)，包括主、分控制器的硬件原理圖及印刷電路板的繪制要點(diǎn)，包括內(nèi)阻測(cè)量模塊、共模電壓測(cè)量模塊的硬件實(shí)現(xiàn)、 CAN 通訊等內(nèi)容。</p><p>　　2.系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 包括主控制器、分控制器的軟件設(shè)計(jì)，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)算法處理，及系統(tǒng)的 CAN 通訊總線設(shè)計(jì)等。</p><p>　　第2章 蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)和基本原理</p><p>　　2.1系統(tǒng)的整

34、體架構(gòu)</p><p>　　蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)蓄電池在線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。它能對(duì)蓄電池的電壓、溫度、內(nèi)阻、充電和放電狀態(tài)等大多數(shù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)采用一個(gè)主控模塊加上多個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊組成。它能夠?qū)Χ鄠€(gè)蓄電池的電壓、溫度、內(nèi)阻等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。</p><p><b>　　2.1.1主控模塊</b></p><p>　　主控模塊是對(duì)蓄電

35、池的總電壓、總電流和環(huán)境溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。該主控模塊是由單片機(jī)、漢字液晶模塊、PVC薄膜鍵盤(pán)、狀態(tài)指示燈、通信接口、信號(hào)調(diào)理模塊和電源模塊構(gòu)成。主控模塊和節(jié)點(diǎn)模塊是采用主從的方式去連接。</p><p>　　當(dāng)節(jié)點(diǎn)模塊檢測(cè)出單體電池的電壓、溫度和內(nèi)阻的數(shù)值之后，主控模塊將對(duì)節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行輪巡，從而得到所有節(jié)點(diǎn)模塊上的檢測(cè)結(jié)果并且將這些數(shù)據(jù)保存在主控模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用來(lái)給上位機(jī)查詢，同時(shí)用外接直流電壓、電流傳感器去測(cè)

36、量蓄電池組的總電壓和總電流。COM0口是用來(lái)連接節(jié)點(diǎn)模塊的，所以這個(gè)通信口和節(jié)點(diǎn)模塊在電氣上是完全隔離的，用來(lái)保證蓄電池的安全。當(dāng)然，主控模塊對(duì)節(jié)點(diǎn)模塊的輪巡速度是可以通過(guò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改的。</p><p><b>　　2.1.2節(jié)點(diǎn)模塊</b></p><p>　　節(jié)點(diǎn)模塊是連接在單個(gè)蓄電池正負(fù)極上的，可以直接從蓄電池上獲取電源，并對(duì)各個(gè)蓄電池的單體電壓、單體溫

37、度和單體內(nèi)阻進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。與主控模塊之間是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的6芯扁平電纜串聯(lián)在一起的，并組成了一個(gè)小型的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)模塊是由微處理器、電池單體電壓測(cè)量電路、電池單體內(nèi)阻測(cè)量電路和通信擴(kuò)展電路幾部分組成的。</p><p>　　節(jié)點(diǎn)模塊對(duì)單體電壓、單體溫度是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的，但對(duì)單體內(nèi)阻只在主控模塊發(fā)出內(nèi)阻測(cè)量請(qǐng)求命令時(shí)才進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)量。而且測(cè)量結(jié)果保存在節(jié)點(diǎn)模塊內(nèi)部，以便主控模塊讀取。可以通過(guò)修改主控模塊的內(nèi)阻

38、測(cè)量周期來(lái)改變內(nèi)阻測(cè)量的時(shí)間間隔，單位為秒。</p><p>　　2.2蓄電池內(nèi)阻測(cè)量方法</p><p>　　蓄電池是有源器件，所以它的內(nèi)阻相對(duì)比普通的電阻元件不同，不能用普通的萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量，必須通過(guò)特殊的方法去測(cè)量，當(dāng)前最常用的測(cè)量方法分別為:直流放電法，多頻率電化學(xué)阻抗分析法，單一頻率交流法。不一樣的測(cè)量方法有其各自的評(píng)價(jià)和不足，不同的測(cè)量方法對(duì)同一蓄電池會(huì)得到不同參數(shù)，不能單一的說(shuō)

39、那個(gè)是正確的或者哪個(gè)是錯(cuò)誤的。</p><p><b>　?。?）直流放電法</b></p><p>　　直流放電法又叫直流負(fù)載法，是用的最多也是最可靠的方法之一。這個(gè)方法是連接一個(gè)負(fù)載，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大電流放電，僅僅持續(xù)幾秒鐘，電流的范圍從25A~70A或者更大，這個(gè)主要根據(jù)電池的容量和型號(hào)來(lái)決定。而所測(cè)到的電壓差和負(fù)載上的電流之間的比值就是電池的內(nèi)阻。通過(guò)負(fù)載接通

40、時(shí)瞬間產(chǎn)生的電壓降和斷開(kāi)負(fù)載時(shí)瞬間的電壓恢復(fù)，就可以算出相應(yīng)的內(nèi)阻。2-3次放電可以得到更加精確的結(jié)果，內(nèi)阻計(jì)算可以表示為R=(V1-V2)/(I1-I2)。</p><p>　　直流放電法的優(yōu)點(diǎn)是可以很精確的讀出數(shù)據(jù)，可多次測(cè)量，測(cè)量精度高，如果控制的好的話，測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的誤差可以控制在0.1%以內(nèi)。當(dāng)然直流放電法的也有幾個(gè)缺點(diǎn)，就是因?yàn)榉烹姷碾娏鞅容^大，容量小的電池沒(méi)辦法在2~3秒鐘內(nèi)負(fù)荷一個(gè)這么大的電流;當(dāng)

41、蓄電池有很大電流通過(guò)一段時(shí)間的時(shí)侯，蓄電池的內(nèi)部電極會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生極化內(nèi)阻。所以測(cè)量的時(shí)間一定要控制在很短的時(shí)間內(nèi)，不然測(cè)量出來(lái)的內(nèi)阻值誤差會(huì)很大;而且大電流放電也會(huì)對(duì)蓄電池內(nèi)部的電極造成一定的損傷。而且直流放電法對(duì)電壓瞬時(shí)變化的數(shù)值準(zhǔn)確提取要求十分高，還要注意防止噪聲干擾，像充電器和負(fù)載的影響。</p><p>　?。?）多頻率電化學(xué)阻抗分析法</p><p>　　多頻率電化學(xué)阻

42、抗分析法是目前知道的最復(fù)雜的測(cè)量方法，它是通過(guò)電池來(lái)提供一個(gè)變頻的交流信號(hào)去測(cè)量它的響應(yīng)電流來(lái)評(píng)估一下電池的電化學(xué)特性，通過(guò)不同的頻率可以進(jìn)入電池的不同層面去檢測(cè)它各層面不同的特性。</p><p>　　多頻率電化學(xué)阻抗分析法已經(jīng)在微型電池上使用過(guò)多年，也在分析航空和靜態(tài)電池的柵格腐蝕、失水上用過(guò)很多年。多頻率電化學(xué)阻抗分析法能夠通過(guò)觀察電極的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)從而可以對(duì)每天使用過(guò)的電池的變化進(jìn)行分析和估計(jì)。能夠在電池被

43、腐蝕和其他等不利的情況下提供一些有用的阻抗數(shù)據(jù)。</p><p>　　多頻率電化學(xué)阻抗分析法的一個(gè)難點(diǎn)就是對(duì)其測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋。測(cè)出那么多數(shù)據(jù)很容易，但是實(shí)際應(yīng)用起來(lái)卻是是很困難的。分析的數(shù)據(jù)十分復(fù)雜，因?yàn)樽x取的數(shù)據(jù)不是對(duì)所有的電池所有的類(lèi)型都一樣或都那么普遍，就算是相同的型號(hào)不同的個(gè)體也各有不同。沒(méi)有一份好的已定義的參考數(shù)據(jù)和軟件來(lái)解釋結(jié)果，那么所測(cè)得數(shù)據(jù)就沒(méi)有太多有用的信息。</p><

44、p>　?。?）單一頻率交流法</p><p>　　單一頻率交流法一般叫做交流電導(dǎo)法，它是給電池注入一個(gè)交流信號(hào)，電池就會(huì)響應(yīng)并產(chǎn)生一個(gè)電壓和電流之間的相位差，根據(jù)這個(gè)來(lái)反映電池的狀況，一般用于單個(gè)測(cè)量。</p><p>　　單一頻率交流法可以測(cè)量出幾乎所有的電池的內(nèi)阻;而且交流法測(cè)量對(duì)電池自己本身沒(méi)有多大的損害。單頻率交流法的不足就是測(cè)量的精度沒(méi)有直流放電法準(zhǔn)確，測(cè)量的精度會(huì)被紋波電

45、流影響，同時(shí)還會(huì)受到諧波電流的干擾，這個(gè)對(duì)測(cè)量?jī)x器在電路中的抗干擾能力是一個(gè)十分大的考驗(yàn)。</p><p>　　2.3內(nèi)阻在線監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)</p><p>　　在線監(jiān)測(cè)蓄電池的內(nèi)阻對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)說(shuō)是個(gè)不小的難題，因?yàn)楸O(jiān)測(cè)出的準(zhǔn)確度與之后分析的準(zhǔn)確度密切相關(guān)。在在線監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，首先需要解決的就是充電機(jī)和負(fù)載的干擾問(wèn)題。對(duì)一般情況而言，蓄電池的內(nèi)阻是微歐數(shù)量級(jí)的小信號(hào)，一般的直流法與交流法都很難

46、得到很高準(zhǔn)確度的參數(shù)，因?yàn)樵诰€監(jiān)測(cè)會(huì)有一些外在因素會(huì)影響到測(cè)量的過(guò)程，這也就是要我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過(guò)程中去克服的困難。</p><p>　　我們用瞬間產(chǎn)生的小電流放電來(lái)測(cè)量蓄電池兩端的電壓變化，對(duì)各種外界干擾，我們也應(yīng)該有相應(yīng)的對(duì)策，一是通過(guò)對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)來(lái)削減硬件的低通濾波，二是應(yīng)該在AD采集的數(shù)據(jù)中進(jìn)行平滑濾波處理和用格布拉斯法來(lái)進(jìn)行濾波，這樣不但可以保證監(jiān)測(cè)得到的內(nèi)阻數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠和高重復(fù)，而且這樣能根據(jù)內(nèi)阻

47、趨勢(shì)數(shù)據(jù)很好的反應(yīng)蓄電池的優(yōu)劣，也能通過(guò)內(nèi)阻數(shù)據(jù)分析來(lái)判斷出容量下降的蓄電池。</p><p>　　第3章 節(jié)點(diǎn)模塊硬件</p><p>　　節(jié)點(diǎn)模塊主要是對(duì)單個(gè)蓄電池的電壓、溫度、內(nèi)阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采集、放大、檢波濾波、AD轉(zhuǎn)換后傳送到單片機(jī)，然后再在單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償濾波、軟件校正后再把測(cè)量結(jié)果保存好。主控模塊采用級(jí)聯(lián)方式來(lái)和多個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊關(guān)聯(lián)。而節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間，主控模塊和節(jié)

48、點(diǎn)之間在電氣上市完全隔離的，從而達(dá)到系統(tǒng)的安全。節(jié)點(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)主要是用2V的蓄電池來(lái)設(shè)計(jì)的，而節(jié)點(diǎn)模塊也主要分為電源處理、可控放電電路、內(nèi)阻測(cè)量、電壓測(cè)量、MCU、通信等部分組成。</p><p><b>　　3.1電源設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1.1電源原理設(shè)計(jì)圖</p><p><b>　　圖3.1電源原理圖</

49、b></p><p><b>　　3.1.2電路實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　2V的蓄電池在節(jié)點(diǎn)模塊中電源處理如圖3.1所示，電源的輸入采用SP6644升壓芯片，由DC2V上升至DC3.3V，效率可以達(dá)90%左右。RT1是熱敏電阻SMD1206P035TS-15，DZ4是 3.9V穩(wěn)壓管ISMA5915BT3，輸入電源的過(guò)流過(guò)壓保護(hù)就是由這兩個(gè)元器件組成的。

50、VDD是穩(wěn)定的模擬電源，用來(lái)防止數(shù)字電源和模擬電源之間產(chǎn)生干擾。TC766O可以產(chǎn)生-3V的電源，以供放大電路使用。電路在PCB時(shí)應(yīng)讓主要的兩個(gè)輸出電容盡量的靠近芯片的輸出端，不然會(huì)造成輸出的不穩(wěn)定。</p><p>　　3.2可控放電的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1可控放電原理設(shè)計(jì)圖</p><p>　　圖3.2可控放電原理圖</p><

51、p>　　3.2.2電路的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　可控放電電路圖如上圖3.2所示，用MCU的I0口來(lái)控制MOS管的導(dǎo)通與截止的放電設(shè)計(jì)，這樣就可以得到 10HZ的放電電流方波。MOS的過(guò)壓保護(hù)用三個(gè)穩(wěn)壓二極管組成。</p><p><b>　　3.3內(nèi)阻測(cè)量</b></p><p>　　3.3.1內(nèi)阻測(cè)量原理圖</p>&l

52、t;p>　　（1）差分——單端放大部分</p><p>　　圖3.3差分——單端放大原理圖</p><p><b>　?。?）整流放大部分</b></p><p>　　圖3.4整流放大原理圖</p><p><b>　?。?）濾波電路部分</b></p><p>　　圖

53、3.5濾波電路原理圖</p><p>　　3.3.2內(nèi)阻測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　內(nèi)阻的測(cè)量主要由上面三部分的電路組成，它是由典型的差分放大器、負(fù)半波檢波電路以及四階的低通濾波電路這3部分組成的。</p><p>　　前級(jí)是用經(jīng)典的儀用放大器來(lái)提取由放電引起的電壓變化，并且進(jìn)行放大處理。U1A、U2B是輸入級(jí)或者第一級(jí)，U1C是輸出級(jí)或第二級(jí)，2V模塊的放

54、大倍數(shù): n=（1+2*R6/R5）*R11/R8=535.5。這個(gè)電路中對(duì)典型的差分放大器進(jìn)行了改進(jìn)，在前置放大器的正輸入端增加了(CI、R1、R3、C4)濾波環(huán)節(jié)，在前置放大器的負(fù)輸入端增加了(CZ、RZ、R4、CS)濾波環(huán)節(jié)，在放大器的R11上并聯(lián)了濾波電容C6。從而將電池內(nèi)阻信號(hào)上疊加的強(qiáng)干擾信號(hào)大大的降低了，對(duì)電池內(nèi)阻的測(cè)量很有利。</p><p>　　中間級(jí)用經(jīng)典半波整流放大電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)精密的線性整流

55、，有兩個(gè)因素需要考慮:</p><p>　　1）改變二極管的非線性特性，讓線性轉(zhuǎn)換關(guān)系能夠良好的實(shí)現(xiàn)；</p><p>　　2）減少二極管閡值對(duì)電壓的影響，讓它能夠?qū)ΡM可能小的輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以采用由運(yùn)放和普通二極管組成的有源整流電路，可以讓上面的兩個(gè)問(wèn)題得到很好的解決。因前級(jí)放大倍數(shù)過(guò)高而引起的直流分量可以通過(guò)電容隔除來(lái)解決，之后可以進(jìn)行負(fù)半波放大，半波放大2.5倍，濾波電容C6會(huì)使

56、放大的倍數(shù)有些衰減，但波形會(huì)相對(duì)比較平坦。</p><p>　　后級(jí)采用的是四階濾波電路，在100HZ的時(shí)侯衰減-3db。噪聲、50HZ工頻干擾和不必要的干擾可以用濾波電路來(lái)消除。因?yàn)榉烹婋娏鞯念l率是10HZ的方波，所以在對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)侯，我們采用了低通濾波器，利用濾波器仿真設(shè)計(jì)軟件FilterLab來(lái)得到適合這個(gè)系統(tǒng)的低通濾波器電路以及電路中各個(gè)器件的參數(shù)。</p><p><

57、;b>　　3.4電壓測(cè)量</b></p><p>　　3.4.1電壓測(cè)量原理設(shè)計(jì)圖</p><p>　　圖3.6電壓測(cè)量原理圖</p><p>　　3.4.2電壓測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　上圖為節(jié)點(diǎn)模塊的電壓測(cè)量電路原理圖，其特點(diǎn)在于包含分壓電路和有源二階低通濾波器如上圖所示。由R28和R29組成的分壓電路，通過(guò)改

58、變R28和R29的參數(shù)可以測(cè)量出2V、6V和12V蓄電池的電壓；有源二階低通濾波器是由U6、R31、R32、C14和C19組成的，因?yàn)橐獪y(cè)量的是電池的端電壓，所以低通濾波器上的截止頻率設(shè)置為1HZ，可以把電池電壓上的干擾信號(hào)給過(guò)濾掉，從而提高電池電壓測(cè)量電路的抗干擾能力，提高測(cè)量精度。</p><p><b>　　3.5MCU</b></p><p>　　3.5.1M

59、CU原理設(shè)計(jì)圖</p><p><b>　　5</b></p><p>　　圖3.7MUC原理圖</p><p>　　3.5.2MCU電路的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　MCU對(duì)模擬量的采集，數(shù)據(jù)處理以及串行通信我們采用了TI公司的MSP430F235來(lái)完成。晶振接到XT2相應(yīng)管腳。我們應(yīng)該注意對(duì)空閑管腳的處理，VeREF+

60、接地，XIN接3.3V。這個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的控制和操作其實(shí)并不復(fù)雜，對(duì)單片機(jī)的程序空間要求也不是很大。系統(tǒng)中對(duì)電壓和內(nèi)阻的數(shù)據(jù)處理需要用到AD轉(zhuǎn)換器件，根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，精度的要求，我們用自帶的AD采樣為12位的單片機(jī)，而且用的是超低功耗的處理器是來(lái)監(jiān)測(cè)蓄電池，這樣不但可以延長(zhǎng)蓄電池的壽命、減少蓄電池的花費(fèi)，而且便于攜帶。TI公司研制的微處理器MSP430F235自帶12位的AD，它具有五種低功耗模式，這個(gè)單片機(jī)有著很強(qiáng)大的處理能力，有著高性能

61、的模擬技術(shù)以及豐富的片上資源，而且外設(shè)有在不需要用的時(shí)侯也可以關(guān)掉的關(guān)斷，這個(gè)也是低功耗的一個(gè)體現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，可以把各項(xiàng)基本功能設(shè)置好，就可以讓單片機(jī)進(jìn)入睡眠模式，采用中斷喚醒的方式來(lái)喚醒單片機(jī)，從而達(dá)到了低功耗，而且當(dāng)進(jìn)入了低功耗狀態(tài)的時(shí)侯，可以關(guān)閉不同的模塊以達(dá)到不同的低功耗的模式，而且這是一個(gè)獨(dú)立的而不依賴于CPU的模塊，并且有一個(gè)方便高效的開(kāi)放環(huán)境LAR。</p><p><b>　　3

62、.6通信設(shè)計(jì)</b></p><p>　　該系統(tǒng)分別用了兩種通信方式，1、有線通信；2、無(wú)線通信</p><p>　　3.6.1有線通信原理設(shè)計(jì)圖</p><p><b>　?。?）接收電路</b></p><p><b>　　圖3.8接收原理圖</b></p><p

63、><b>　?。?）發(fā)送電路</b></p><p><b>　　圖3.9發(fā)送原理圖</b></p><p>　　3.6.2有線通信電路實(shí)現(xiàn)</p><p>　　通信電路是由光耦U8A、U8B和外圍電阻組成的。這個(gè)電路的特點(diǎn)是用U8A和U8B來(lái)構(gòu)成背靠背的隔離通信方式，用光耦HCPL0630來(lái)隔離N個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信。

64、背靠背的級(jí)聯(lián)隔離通信網(wǎng)就是靠這么</p><p>　　多個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的COM0、COM1串聯(lián)在一起來(lái)構(gòu)成的。COM0接收到來(lái)自總線的命令信后，再輸入微處理器的33腳并經(jīng)過(guò)COM1向下一級(jí)輸出;微處理器32腳輸出的響應(yīng)信息直接驅(qū)動(dòng)上一級(jí)模塊光耦的輸入發(fā)光二極管。雙向串行通信接口都是隔離著的，其中RX+，RX-分別和光耦二極管的陽(yáng)極和陰極連接。TX+，TX-是光耦的輸出。節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)電流通訊，達(dá)到了蓄電池和蓄電池

65、之間的隔離。模塊和模塊之間采用接力的連接方式，采用RJ45接口，連線全部用的直連線，可以在現(xiàn)場(chǎng)快速的連接。</p><p>　　3.6.3無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　由于蓄電池在線監(jiān)測(cè)設(shè)備中主模塊和節(jié)點(diǎn)模塊、節(jié)點(diǎn)模塊之間的連線相對(duì)比較多和復(fù)雜，很容易引起不必要的干擾和比較難安裝，它們之間的數(shù)據(jù)的傳遞速率也不是很高，這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了達(dá)到低功率、低成本的方向，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)侯，節(jié)點(diǎn)模塊

66、和節(jié)點(diǎn)模塊之間、主模塊和節(jié)點(diǎn)模塊之間的通信方式我們可以通過(guò)無(wú)線通信來(lái)代替有線通信，它的優(yōu)點(diǎn)就是可降低成本而且容易于連接，無(wú)線通信不需要接線和其他的硬件，以及其他什么安裝的費(fèi)用，節(jié)點(diǎn)模塊是由蓄電池供電的，當(dāng)其不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)閉它們的射頻就可以降低功耗。此規(guī)范適用于要求低功耗和低成本的低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用。因此我們就嘗試著用 MiWitmP2P無(wú)線協(xié)議來(lái)達(dá)到無(wú)線通信，我們用了Microchip公司的 2.4GHz的無(wú)線收發(fā)器模塊MRF24J40M

67、A以及帶有串行外設(shè)接口 的Microchip公司的單片機(jī)PIC24HJ64GP204，以及具有集成的晶振、內(nèi)置穩(wěn)壓器、匹配電路和PCB天線的無(wú)線收發(fā)器模塊MRF24J40MA。</p><p><b>　　3.7實(shí)現(xiàn)體制</b></p><p><b>　　3.7.1總體概述</b></p><p>　　蓄電池的在線監(jiān)測(cè)

68、系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)模塊，是一個(gè)以MSP430F235為核心的采集模塊。電池電壓、溫度、電池內(nèi)阻都是其所要采集的參數(shù)。單片機(jī)會(huì)定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行處理。每個(gè)模塊都會(huì)有一個(gè)特定的地址，連接前由軟件來(lái)設(shè)置到其內(nèi)部的flash中。模塊采用主模塊請(qǐng)求時(shí)才會(huì)給予應(yīng)答，不主動(dòng)上報(bào)。通信協(xié)議采用ModBus協(xié)議。節(jié)點(diǎn)內(nèi)部包含溫度傳感器，為保證MSP430內(nèi)阻溫度傳感器測(cè)量的溫度是蓄電池溫度，就要求把MSP430焊接在PCB板背面，并保證背面除了MSP

69、430外無(wú)任何突起物，MSP430芯片表面必須可靠接觸殼體金屬面。</p><p>　　3.7.2內(nèi)阻測(cè)量算法</p><p><b>　?。?）內(nèi)阻測(cè)量原理</b></p><p>　　內(nèi)阻的測(cè)量是本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。這次設(shè)計(jì)是采用直流放電法去測(cè)量?jī)?nèi)阻，性價(jià)相對(duì)較高。放電法測(cè)量電池內(nèi)阻的基于的原理如下圖：</p><p>

70、　　圖3.10 a :蓄電池測(cè)量模型 b:蓄電池測(cè)量等價(jià)模型</p><p>　　如上圖3.10b所示，假設(shè)E是電池的電動(dòng)勢(shì)，R1是電池內(nèi)部產(chǎn)生的等效電阻，R2是外部的負(fù)載。當(dāng)電路空載時(shí)，電池兩端的電壓U=E;當(dāng)電池放電時(shí)，電池兩端的電壓為U=E*R2/(R1+R2)。在實(shí)際的應(yīng)用中，如上圖3.10a所示。E是電池內(nèi)部電壓保持不變的，R1是電池的內(nèi)阻，R2是電池供電的負(fù)載，R3是我們放電所產(chǎn)生

71、的負(fù)載。設(shè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的時(shí)侯電池端電壓為U1，開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)侯電池兩端的電壓為U2，其壓降△U=U1-U2=△I*R1，所以電池內(nèi)阻R1=△U /△I。而且△I=E/(R1+R2//R3)-E/(RI+RZ)，而實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中，內(nèi)阻R1<<R2，R1<<R2//R3所以△I=E/(R2//R3)-E/R2=E/R3，所以我們只需要想方法采集到△U，然后通過(guò)計(jì)算算出△I，我們就可算出內(nèi)阻值。在電路中我們對(duì)△U進(jìn)行了放大

72、處理，就是把在單片機(jī)中采集到的數(shù)字量對(duì)應(yīng)的是放大后的電壓值。所以我們可以通過(guò)上面的公式得到電池的內(nèi)阻，單片機(jī)內(nèi)部AD為12bit，設(shè)采集的AD值為data，電壓基準(zhǔn)為2.5V，放大位數(shù)為n，放電電流為△I，則電池的內(nèi)阻為R1=data*2.5/(4096*n*△I)。</p><p><b>　　（2）內(nèi)阻濾波算法</b></p><p>　　所有測(cè)量里面的用到的底層

73、濾波是用去掉最值取平均的方法取到的，電壓溫度測(cè)量的上層濾波采用的也是用的這個(gè)方法，只有測(cè)量?jī)?nèi)阻時(shí)的上層濾波采用的是格布拉斯法。</p><p>　　格拉布斯法的實(shí)現(xiàn)步驟如下:</p><p>　　1）排序:將測(cè)量的數(shù)據(jù)按照從小到大的順序進(jìn)行排列，最大值表示為Xmax,最小值則表示為Xmin。</p><p>　　2）計(jì)算樣本均值A(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)差S及統(tǒng)計(jì)量T。</p&

74、gt;<p><b>　　（3-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中，n為測(cè)量AD值個(gè)數(shù)。分別計(jì)算比較最大值與均值的差與S的比值和最小值與均值的差與S的比值，取T為兩數(shù)之中的大值。</p><p>　　3）查格布拉斯檢驗(yàn)的臨界值表得T(n，0.05)。<

75、/p><p>　　4）比較結(jié)果。如果T (n，0.05)，則剔除該AD值。使得n=n-l，調(diào)整Xmax和Xmin，回到第2)步，繼續(xù)計(jì)算，直到只剩下兩個(gè)數(shù)。如果T<T(n，0.05)，則退出，返回平值。</p><p><b>　　（3）內(nèi)阻校準(zhǔn)算法</b></p><p>　　可將圖a模型等效為圖b所示模型。其中RI=R1//R2，E=R2

76、*E/(R1+R2)，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電池兩端的電壓為U1=E’;當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)電池兩端的電壓為U2=E’*R3/(R1+R3)。則電壓差:</p><p>　　U=Ul-U2=E （3-3）</p><p>　　對(duì)于2V模塊，R3=10歐，Rl<20毫歐，則式(3-3)中忽略分母上的R所導(dǎo)</p><p><b

77、>　　致的最大誤差為:</b></p><p>　　根據(jù)式(3-3)可得</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　由于實(shí)際中測(cè)得的值和理論值存在一個(gè)特定的誤差，即</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　

78、　假設(shè)有兩塊電池用于校準(zhǔn)使用，電池a的等效內(nèi)阻為Ra，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的兩端電壓為Ua，電池b等效內(nèi)阻為Rb，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的兩端電壓同樣為Ub+則</p><p>　　根據(jù)式(3-5)可得</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　設(shè)一個(gè)電池的內(nèi)阻為R，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的電壓為U，測(cè)得電壓差為U，則</p><p

79、>　　根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線，聯(lián)合式(3-6)得</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　由式(3-7)所得結(jié)果R為測(cè)量電池內(nèi)阻和外部負(fù)載的并聯(lián)，所以在不計(jì)算負(fù)載的情況下由R代替電池內(nèi)阻R1存在一定的誤差，這個(gè)誤差的大小跟電池兩端的負(fù)載R2有關(guān)系。且當(dāng)R2越小，誤差就越大。此誤差可表示為</p><p>　　由于

80、總體誤差要求在1%范圍內(nèi)，則</p><p>　　對(duì)于2V模塊，<0.8%，則R<0.81%R2，當(dāng)R最大為20m歐時(shí)，要求</p><p>　　電池負(fù)載R2>2.5歐。</p><p>　　第4章 節(jié)點(diǎn)模塊軟件</p><p><b>　　4.1概述</b></p><p>　

81、　節(jié)點(diǎn)模塊采用TI公司的MSP430F235混合信號(hào)處理器作為控制系統(tǒng)的核心，芯片內(nèi)部具有16KB十256B的Flash程序存儲(chǔ)器，2KB的RAM，12位AD轉(zhuǎn)換器，ART等。本軟件運(yùn)行于該芯片的硬件基礎(chǔ)之上，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用C語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR43O編譯仿真器。</p><p>　　本章描述了各模塊功能軟件的功能、系統(tǒng)的整個(gè)工作流程、主要的函數(shù)說(shuō)明列表和兩種通信方式對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議。</p><

82、;p>　　4.2軟件功能及流程圖</p><p>　　程序共有3個(gè)任務(wù)級(jí)的函數(shù)組成，下面進(jìn)行詳細(xì)描述:</p><p>　　圖4.1主流程圖 圖4.2 初始化程序流程圖</p><p>　　ACLK=VLOCLK=12KHZ，DCO默認(rèn)頻率為0.75MHz(0.61~0.90)，溫度為25oC時(shí)。MCLK=XTZ=3.6864M

83、Hz， SMCLK=MCLK/8=460.SKHz，ADC12OSC的頻率為 (3.7~6.3)MHz。</p><p>　　采樣時(shí)間=13*4*l/ADC12OSC=50us，轉(zhuǎn)換時(shí)間=4*32*1/ADC12OSC=128us，</p><p>　　定時(shí)器A時(shí)鐘TACTL為ACLK8分頻28.8KHZ，清除TAR。</p><p><b>　　讀Fla

84、sh內(nèi)容:</b></p><p>　　ReadSeglllent((unsignedchar*)&address，0xl000，2);</p><p>　　Readsegment((unsignedchar*)&info，0xl080，izeof(info));</p><p>　　Readseglnent((unsignedchar*

85、)&start--from，0xFC00，2)</p><p>　　圖4.3時(shí)間定時(shí)處理函數(shù)流程圖 圖4.4定時(shí)器中斷流程圖</p><p>　　圖4.5運(yùn)行燈處理程序流程</p><p>　　圖4.6 AD采集和處理流程圖</p><p><b>　　4.3函數(shù)說(shuō)明</b></p&

86、gt;<p>　　本節(jié)對(duì)程序中的主要函數(shù)進(jìn)行描述，包括函數(shù)名稱、作用、輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)以及最后的返回值。分別為主函數(shù)、系統(tǒng)初始化函數(shù)、重置看門(mén)狗定時(shí)器函數(shù)、時(shí)間定時(shí)處理函數(shù)、串口通訊處理函數(shù)、數(shù)據(jù)采集函數(shù)。</p><p>　　(1)主函數(shù) Void main()</p><p>　　(2)系統(tǒng)初始化函數(shù)Void Injt-System():該函數(shù)由主程序調(diào)用，在函數(shù)中設(shè)定

87、定時(shí)中斷時(shí)間間隔，外部中斷，串口，AD初始化等;完成從Flash中讀取校正參數(shù)。</p><p>　　(3)重置看門(mén)狗定時(shí)器函數(shù)WDTCTL=WDT-ARST-250（）看門(mén)狗定時(shí)器時(shí)鐘 頻率為ACLK，即:ACLK= 12KHz，看門(mén)狗定時(shí)間隔為:*8192=682.7ms, 函數(shù)輸出在定時(shí)間隔到時(shí)清看門(mén)狗，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。</p><p>　　(4)時(shí)間定時(shí)處理函數(shù)Void SoftTi

88、mer(void):TimeA每產(chǎn)生一次中斷，軟定時(shí)器減一，設(shè)置的時(shí)間到時(shí)運(yùn)行指示燈。</p><p>　　(5)串口通訊處理函數(shù)void ModBus(void):輸入為RxCaeh[]，輸出為T(mén)xBuff[]。</p><p>　　(6)AD采集函數(shù)void Adsample(void):采集電壓、溫度的函數(shù)。</p><p>　　4.4MODBUS通訊協(xié)議&l

89、t;/p><p><b>　　4.4.1通信機(jī)制</b></p><p>　　PC機(jī)作為發(fā)送端，主模塊作為接收端也作為發(fā)送端，從模塊作為接收端，它</p><p>　　們之間的MODBUS通訊協(xié)議遵循以下的基本規(guī)則:</p><p>　　(l)整個(gè)電池儀通訊回路遵從主從方式。按照這種方式，通信數(shù)據(jù)可以在上位機(jī)和主模塊、上位機(jī)

90、和從模塊、主模塊和從模塊之間進(jìn)行傳遞。</p><p>　　(2)上位機(jī)將初始化和查詢?cè)赑c和主模塊、Pc和從模塊之問(wèn)的信息傳遞;主模塊可將可以輪巡查詢二仁模塊和從模塊之間的數(shù)據(jù)傳送。</p><p>　　(3)每一次的通訊都不能從從模塊開(kāi)始。對(duì)PC和主模塊、PC和從模塊之間的信息傳遞只能從PC開(kāi)始，對(duì)主模塊和從模塊之間的數(shù)據(jù)通信只能從主模塊開(kāi)始。</p><p>

91、　　(4)在所有的通信回路上數(shù)據(jù)傳遞都以“信息幀”的方式傳遞?！靶畔本褪怯梢粋€(gè)個(gè)字符幀組成的字符串?dāng)?shù)據(jù)流，字符串?dāng)?shù)據(jù)流最多可包含256個(gè)字節(jié)。</p><p>　　(5)上位機(jī)、主模塊和從模塊對(duì)有關(guān)響應(yīng)的處理:主模塊或從模塊接收查詢，通訊正常則返回一個(gè)正常響應(yīng)事件;由于通訊出錯(cuò)等原因，主模塊或從模塊不能接收到完整的查詢數(shù)據(jù)信息幀，主模塊或從模塊對(duì)相應(yīng)查詢事件不作返回響應(yīng)。此時(shí)，主模塊或從模塊對(duì)相應(yīng)查詢事件作超

92、時(shí)處理;主模塊或從模塊接收到完整的查詢信息幀，但有奇偶校驗(yàn)或CRC錯(cuò)誤，對(duì)主模塊或從模塊的相應(yīng)查詢事件不返回響應(yīng)，此時(shí)，主模塊或從模塊對(duì)查詢事件做超時(shí)處理;主模塊或從模塊接收到完整的查詢信息包，也無(wú)數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯(cuò)誤，但有從機(jī)不支持的信息(如功能碼、寄存器)時(shí)，此時(shí)返回一個(gè)相關(guān)的異常響應(yīng)事件;如果主機(jī)或從機(jī)收到協(xié)議中未定義的功能碼(命令)的信息幀，則不予以響應(yīng)，把相應(yīng)的信息幀作丟棄處理。</p><p><b&g

93、t;　　4.4.2消息格式</b></p><p>　　通訊傳輸為異步方式，并以字節(jié)(字符幀)為單位，在上位機(jī)和主模塊、上位機(jī)和從模塊、主模塊和從模塊之間傳遞的每一個(gè)字符幀都是11位的串行數(shù)據(jù)流。最大為256個(gè)字符幀的串行數(shù)據(jù)流組成一個(gè)“信息幀”。波特率為96oobPs。</p><p>　　通訊傳送分為獨(dú)立的信息頭，和發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)。以下的通訊傳送格式定義與 MODBUSRT

94、U通訊規(guī)約相兼容。</p><p><b>　　(l)字符幀格式</b></p><p>　　(2)字符幀有偶校驗(yàn)位的時(shí)序圖</p><p><b>　　(3)信息幀格式</b></p><p>　　信息幀中的字符幀間隔且1.5字節(jié)的時(shí)間。初始間隔:3.5字節(jié)的時(shí)間。結(jié)束間隔:3.5字節(jié)的時(shí)間。數(shù)據(jù)

95、區(qū)N個(gè)字節(jié)。</p><p>　　地址碼為1個(gè)字節(jié)，為通訊傳送的第一個(gè)字節(jié)Modbus協(xié)議規(guī)定從設(shè)備的地址范圍是0…255，從設(shè)備地址是0…247(十進(jìn)制)，單個(gè)設(shè)備的地址范圍是1…247，保留地址248…255(十進(jìn)制)，地址0是用作廣播地址，所有的從設(shè)備都能識(shí)別。這個(gè)字節(jié)表明上位機(jī)設(shè)定地址碼的主模塊和從模塊將接收由PC發(fā)送來(lái)的信息(或從模塊將接收由主模塊發(fā)送來(lái)的信息)。并且每個(gè)主模塊和從模塊(主模塊對(duì)PC、從

96、模塊對(duì)PC、從模塊對(duì)主模塊)都有具有唯一的地址碼，并且響應(yīng)回送均以各自的地址碼開(kāi)始。主機(jī)發(fā)送的地址碼表明將發(fā)送到的從機(jī)地址，而從機(jī)發(fā)送的地址碼表明回送的從機(jī)地址。</p><p>　　功能碼也是一個(gè)字節(jié)，通訊數(shù)據(jù)流傳送的第二個(gè)字節(jié)。ModBus通訊協(xié)議規(guī)約定義功能號(hào)為1到127(01H-7FH)。本電池儀只利用其中的一部分功能碼。作為主機(jī)請(qǐng)求發(fā)送，通過(guò)功能碼告訴從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作;作為從機(jī)響應(yīng)，從機(jī)發(fā)送的功能碼與從

97、主機(jī)發(fā)送來(lái)的功能碼一樣，并表明從機(jī)已響應(yīng)主機(jī)進(jìn)行操作。如果從機(jī)發(fā)送的功能碼的最高位為1(比如功能碼大于127)，則表明從機(jī)異常響應(yīng)通訊請(qǐng)求或出錯(cuò)。</p><p>　　(4)本電池監(jiān)測(cè)儀的功能碼</p><p>　　本電池監(jiān)測(cè)儀采用modbus通訊規(guī)則，其通信協(xié)議中的功能碼為modbus部分功能碼。功能碼10H用于配置參數(shù)，功能碼03H用于讀取采集信息或配置信息，功能碼05H用于控制量。有

98、關(guān)的功能碼表列舉如下:</p><p>　　4.5MiWiTMP2P無(wú)線通信協(xié)議</p><p>　　Microchip公司的 MiWiTMP2P無(wú)線協(xié)議是 IEEE802.15.4的衍生協(xié)議，也是一種簡(jiǎn)化的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的協(xié)議，修改了相應(yīng)的MAC層增加了簡(jiǎn)化握手過(guò)程的命令。通過(guò)提供輔助的MAC命令，簡(jiǎn)化了鏈接斷開(kāi)和通道跳轉(zhuǎn)操作。此無(wú)線協(xié)議采用了Microchip公司的 2.4GHz的無(wú)線收發(fā)

99、器模塊MRF24J40MA和帶有串行外設(shè)接口的Microchip公司的單片機(jī)PIC24HJ64GP204。通過(guò)易用的編程接口，該協(xié)議提供可靠直接的無(wú)線通信。該協(xié)議具有豐富的特性集，可以編入?yún)f(xié)議棧，也可以抽離于協(xié)議棧之外，以滿足不同客戶的需求——同時(shí)使協(xié)議棧的存儲(chǔ)空間占用最小。另外該協(xié)議還值得我們注意的是:因?yàn)樵搮f(xié)議沒(méi)有路由機(jī)制，因此射頻覆蓋范圍就是無(wú)線通信的范圍;由于不支持保證時(shí)隙和信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，因此通信兩端的設(shè)備不能同時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。&l

100、t;/p><p><b>　　4.5.1基本特性</b></p><p>　　1）采用的無(wú)線收發(fā)器模塊MRF24J40MA在在2.4GH:頻帶范圍內(nèi)提供16個(gè)通道.最大的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為127字節(jié)，其中包括了兩字節(jié)的循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC值;</p><p>　　2）小程序空間為目標(biāo)的協(xié)議?？墒勾a長(zhǎng)度減少至3KB多點(diǎn)，應(yīng)用程序很容易裝入單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器

101、中，可工作在 MicrochipPIC18、PIC24、dsPIC33和PIC32平臺(tái)上;支持MicrochipC18、C30和C32編譯器;</p><p>　　3）作為狀態(tài)機(jī)的功能(獨(dú)立于RTOS);</p><p>　　4）支持通信結(jié)束時(shí)器件處于休眠狀態(tài)，即支持設(shè)備空閑時(shí)關(guān)閉射頻;</p><p>　　5）使能能量檢測(cè)掃描，以工作在噪聲最小的通道;</p

102、><p>　　6）提供主動(dòng)掃描，以檢測(cè)已建立的連接;</p><p>　　7）支持 IEEE802.15.4中定義的所有安全模式;</p><p>　　8）使能頻率捷變(通道跳轉(zhuǎn))。</p><p><b>　　4.5.2通信機(jī)制</b></p><p>　　MiWiTMP2P無(wú)線協(xié)議對(duì)通信設(shè)備進(jìn)行了

103、分類(lèi)，有兩種分類(lèi)方式，根據(jù)功能來(lái)劃分:全功能設(shè)備FFD和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD，其中FFD是主電源供電，接收器處于打開(kāi)狀態(tài)，任何時(shí)間任何地點(diǎn)可以直接接收數(shù)據(jù);而RFD是由蓄電池來(lái)供電，接收器處于關(guān)閉狀態(tài)，數(shù)據(jù)接收時(shí)需要從相關(guān)設(shè)備查詢。根據(jù)角色劃分:個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備，其葉，個(gè)人局域網(wǎng)協(xié)調(diào)器功能上相當(dāng)于FFD，在進(jìn)行通信是必須先啟動(dòng)此設(shè)備并等待連接;而終端設(shè)備就相當(dāng)于FFD或RFD，在協(xié)調(diào)器開(kāi)始建立連接之后，才啟動(dòng)此設(shè)備。對(duì)

104、應(yīng)到我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)中的主模塊就相當(dāng)于FFD，而節(jié)點(diǎn)模塊就相當(dāng)于RFD。這在通信過(guò)程中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面來(lái)說(shuō)， MiWiTMP2P無(wú)線協(xié)議是支持兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。而我們?cè)撓到y(tǒng)采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也即網(wǎng)絡(luò)連接方式非常簡(jiǎn)單，采用最基本的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主模塊就充當(dāng)個(gè)人局域網(wǎng)協(xié)調(diào)器也是全功能設(shè)備FFD，用于啟動(dòng)通信并能與各節(jié)點(diǎn)模塊建立連接，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以加入通信的節(jié)點(diǎn)模塊，充當(dāng)終端設(shè)備也即精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD，節(jié)點(diǎn)模塊只能與主塊進(jìn)行通信

105、。</p><p>　　MiWiTMP2P 無(wú)線協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型僅支持無(wú)信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，只要能級(jí)(噪聲)低于預(yù)定義級(jí)別，所以的設(shè)備在任何時(shí)間都可以發(fā)送數(shù)據(jù)，無(wú)信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)增加了FFD設(shè)備的功耗，這是因?yàn)樗鼈儽仨毷股漕l一直處于打開(kāi)狀態(tài)。但是這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)卻可以降低了RFD設(shè)備的功耗，因?yàn)镽FD不必頻繁執(zhí)行同步操作。因?yàn)閰f(xié)議棧僅支持單路程段通信，每個(gè)設(shè)備會(huì)分配唯一標(biāo)識(shí)符，通過(guò)這個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符尋址來(lái)發(fā)送消急，當(dāng)節(jié)點(diǎn)模塊接入主模塊建立的網(wǎng)絡(luò)

106、時(shí)，主模塊會(huì)分配給竹點(diǎn)模塊唯一的短地址，這個(gè)短地址在協(xié)議棧發(fā)送廣播消息時(shí)使用。</p><p>　　關(guān)于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，發(fā)送消息分為兩種方式：廣播和單播。當(dāng)協(xié)議棧使用短地址時(shí)為廣播消息，廣播數(shù)據(jù)包把處于射頻范圍內(nèi)的所以設(shè)備作為其廣播目標(biāo)，廣播消息是沒(méi)有應(yīng)答的。單播消息只有一個(gè)目標(biāo)地址，那就是設(shè)備具有的唯一標(biāo)識(shí)符那個(gè)長(zhǎng)地址，協(xié)議棧會(huì)應(yīng)答所有的單播消息。在此協(xié)議棧中，射頻僅通知接收到消息的設(shè)備，如果接收到消息的設(shè)備

107、在空閑時(shí)關(guān)掉了射頻，那么它就只能從與它連接的設(shè)備接收消息，對(duì)于關(guān)掉射頻的空閑設(shè)備來(lái)說(shuō)，如果它要接收消息，就必須向它的連接方發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令。此時(shí)，如果存在間接消息，它將接收到該消息。</p><p>　　MiWiTMP2P協(xié)議有著非常簡(jiǎn)單的握手方式，只有兩步，首先發(fā)起設(shè)備發(fā)出P2P連接請(qǐng)求命令，然后處于射頻范圍內(nèi)的任何設(shè)備都會(huì)對(duì)要求建立連接的P2P連接響應(yīng)命令做出響應(yīng)。這是一個(gè)可以建立多個(gè)連接的一對(duì)多的過(guò)程，RF

108、D只能與一個(gè)FFD建立連接。</p><p><b>　　4.5.3消息格式</b></p><p>　　三位幀類(lèi)型字段定義了數(shù)據(jù)包的類(lèi)型分為:數(shù)據(jù)幀、應(yīng)答幀和命令幀，但是在此協(xié)議棧內(nèi)，所有的應(yīng)答數(shù)據(jù)包都是由MRF24J40MA射頻收發(fā)器內(nèi)的硬件處理，所以沒(méi)有使用應(yīng)答幀。每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)或命令數(shù)據(jù)包，序列號(hào)就遞增1，序列號(hào)用在應(yīng)答數(shù)據(jù)包內(nèi)，用來(lái)確認(rèn)原始數(shù)據(jù)包。目標(biāo) PA

109、NID是目標(biāo)設(shè)備的PAN標(biāo)識(shí)符，目標(biāo)地址可為64位的長(zhǎng)地址，也可為16位的短地址，此目標(biāo)地址必須與幀控制字段中定義的目標(biāo)地址模式保持一致。源PANID是源設(shè)備的PAN標(biāo)識(shí)符，必須與幀控制字段中的內(nèi)部PAN定義相匹配。源地址字段固定為使用源設(shè)備的64位擴(kuò)展地址。</p><p>　　4.5.4應(yīng)用程序接口函數(shù)</p><p><b>　　1）建立連接函數(shù)</b><

110、/p><p>　　創(chuàng)建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接有兩種方式:被動(dòng)接受一個(gè)新連接和主動(dòng)尋求一個(gè)新連接。建立一個(gè)新連接之后，連接另一端的設(shè)備信息將被存儲(chǔ)在兩個(gè)設(shè)備的PZP連接項(xiàng)中。那些項(xiàng)代表現(xiàn)有連接并可用于向連接的對(duì)等設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包。</p><p>　　voidEnableNwConnection(void):使用P2P連接響應(yīng)對(duì)P2P連接請(qǐng)求命令做出響應(yīng)，從而允許協(xié)議棧接受新連接。</p>&l

111、t;p>　　voidDisableNewConneetion(void):對(duì)P2P連接請(qǐng)求命令做出響應(yīng)來(lái)防止協(xié)議棧接受新連接。</p><p>　　BYTECreateNewConnection(BYTERetrylnterval， DWORDChannelMap):用于主動(dòng)尋求新連接。在調(diào)用此函數(shù)之前，不必使能協(xié)議棧接受新連接，此函數(shù)會(huì)自動(dòng)使能接受新連接。當(dāng)沒(méi)有激活能量掃描特性時(shí)，調(diào)用一個(gè)參數(shù)是發(fā)出P2P