蓄电池充放电无线监控系统设计.pdf

第 4 1卷 第 8 期 2 0 1 5年 8月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd Mi ne Aut o ma t i o n V01 ． 4 1 No ． 8 Au g ．2 0 1 5 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 1 1 9 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 3 0 穆莉莉 ， 刘成 ， 刘振翮． 蓄电池充放电无线监控 系统设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 1 1 9 1 2 2 ． 蓄电池充放电无线监控系统设计 穆莉 莉 ， 刘 成 ， 刘振 翮。 1 ． 安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ； 2 ． 淮南 市长 安机 电设备 有 限公 司 ，安徽 淮 南2 3 2 0 0 1 摘要 针 对 目前 煤矿 蓄 电池 充放 电监 控 系统存 在体 积庞 大 、 布线 复杂 、 数据吞 吐 量 小等 问题 ， 设 计 了一种 基 于 C C 1 1 0 1无 线通信模 块 的蓄 电池充放 电无线监 控 系统 。该 系统 利 用 C C 1 1 0 1的跨 频 功 能 实现 对 多 个蓄 电池 组 的 同步监 控 ； 利 用 C C l l 0 1的 阈值 特性 实现 大数 据 包的 快速 续发 和发 送 完毕 的 自动 识 别 。测试 结 果 验证 了该 系统 的有 效性 和稳 定性 。 关键 词 蓄 电池 ；充放 电监控 ；无线 监控 ； C C I 1 0 1 中图分类号 TD 6 1 1 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 4 7 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 4 7 ． 0 3 0 ． h t ml De s i g n o f wi r e l e s s mo ni t o r i n g s y s t e m o f b a t t e r y c ha r g i ng a nd d i s c h a r g i n g M U Li l i ，LI U Che ng ，LI U Zh e nh e 。 1． Co l l e g e of M e c h a n i c a l Eng i n e e r i n g，An hui Uni v e r s i t y o f Sc i e nc e a nd Te c hn ol o gy，H u a i n a n 2 32 0 01， Ch i n a ；2 ． Hu a i n a n Ch a n g a n El e c t r i c a l a n d M e c h a n i c a l Eq u i p me n t C o． ，Lt d． ，Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r ob l e ms o f hu ge vo l u m e，c o m pl e x wi r i n g a n d s ma l l da t a t hr o ug hpu t e x i s t e d i n ba t t e r y c ha r g i ng a nd d i s c ha r g i ng m o ni t o r i ng s y s t e m o f c oa l mi ne ，a wi r e l e s s mon i t o r i ng s y s t e m o f b a t t e r y c h a r gi n g a nd d i s c ha r g i ng ba s e d o n CC1 1 0 1 wi r e l e s s c o m mun i c a t i o n mo dul e wa s d e s i gn e d． Sy n c hr o n ous mon i t o r i ng of mul t i b a t t e r y s e t s i s r e a l i z e d t h r ou gh f r e q ue nc y ho pp i ng f u nc t i o n o f CC1 1 01．Fa s t c o nt i nuo us t r a n s f e r o f b i g d a t a p a c k e t a n d a u t o ma t i c r e c o g n i t i o n o f s e n d i n g e n d a r e r e a l i z e d t h r o u g h t h r e s h o l d c ha r a c t e r i s t i c o f CC1 1 0 1．The t e s t r e s u l t v e r i f i e s va l i di t y a nd s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m ． Ke y wor d s ba t t e r y；mon i t o r i ng o f c ha r gi ng a n d di s c ha r g i ng；wi r e l e s s mo ni t o r i n g；CC1 1 0 1 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 3 1 7 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 6 1 9 ； 责任编辑 盛男。 作者简介 穆莉莉 1 9 7 3 一 ， 女 ， 江苏徐州人 ， 教授 ， 主要研究方 向为单片机嵌入式系统 ， E ma i l 5 7 6 6 7 2 2 8 3 q q ． c o rn。 液压缸短行程测量场合 ； 滚轮脉冲式测量系统不具 辨 向功能 ， 需要 其他 辅助 方式 才能 辨别 运动方 向 ， 且 由于加工工艺和结构的限制， 决定了其测量分辨率 不高， 适用于液压缸长行程测量场合。这 2种测量 系 统体积 较小 ， 结构 简单 ， 便 于应 用在液 压缸 行程 内 置式 测量 中。 参考文献 [ 1 3 潘峰 ， 丁凡 ， 殷建利 ， 等． 液压缸行程测量 国内外 现状和 [ 2 ] [ 3 3 [ 4 ] E 5 ] 发展 趋势口] ． 工程机械 ， 2 0 0 1 ， 3 2 4 2 7 2 9 ． 廖飞 ， 汪涛 ， 袁雪莉． 基 于激光 鼠标 传感芯 片组 的机 床 位移测量仪[ J ] ． 仪表技术与传感器 ， 2 0 0 9 3 3 2 3 3 ． 张洪伟 ， 姬升 红 ， 杨 德清． 光 电鼠标芯 片在无接 触测 距 中的应用[ J ] ． 中国电子商务 ， 2 0 0 9 8 8 9 ． 胡汉才． 单 片机 原理 及其接 口技 术[ M] ． 北京 清华 大 学 出 版 社 ， 1 9 9 6 ． 来清 民． 传感器 与单 片机接 口及 实例 [ M] ． 北京 北 京 航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 8 1 3 1 1 3 9 ． 1 2 O 工 矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1 卷 0 引 言 目前 国内广泛 应用 于煤 矿 电机车 的蓄 电池组 本 体 由于充 电过 程 中各 电池模块 的过充 、 欠 充 、 充 电不 均衡等现象[ 1 ] ， 使蓄电池 的实际使用寿命 比理论周 期短 得多 ， 因此 ， 开 发智 能 的蓄 电池 充放 电监 控系统 具有 重要 意义 。近 年 来 ， 国 内进行 了一 些 有 益 的研 究 ， 但 这些 蓄 电池监 控系 统体积 庞 大 ， 远程 数 据传输 需要 通过 R 2 3 2 、 RS 4 8 5串 口或 网 口E z - 4 3 。R 2 3 2与 R S 4 8 5串口通信传输距离短 ， 传输速率低 ， 数据吞吐 量 小 ， 难 以实现井 下远 距 离 、 快速 、 大 数据 通信 ， 而 网 络通信又难以满足矿井环境对蓄电池监控系统在布 线 、 隔爆 、 防水 、 体 积等 方 面的要 求 。基 于 此 ， 本 文提 出了一种基于 C C1 1 0 1无线通信模块的蓄 电池充放 电无 线监 控 系统设 计 方 案 ， 该 方 案 采 用 无线 通 信 方 式对 阀控 式免 维 护蓄 电池充 放 电过程 中 的电气参 数 进行远程实时监控 ， 利用 C C 1 1 0 1无线通信模块的 跨频 功能 和 阈值特 性解 决远距 离 通信 中 的数 据稳 定 性及 大数 据包 的快 速续 发等 问题 。 1系统硬 件设 计 蓄电池充放电无线监控系统 由单体模块、 采集 监视模块、 终端监视模块 3部分组成 ， 如图 1 所示 。 远程电机车驾驶室和充电房配有终端监视模块 ， 蓄 电池组配有 电气参数采集监视模块和单体模块 。系 统 无线 通信 包含 2种 情况 ① 蓄 电池 组 在充 电房进 行 充 电 时 与 终 端 监 视 模 块 进 行 数 据 的 实 时 交 互 ； ② 电机车 在轨 道行 驶 时 ， 当前 蓄 电池 的性 能参 数 与 电机车 驾驶 室进 行 数据 的实 时 交 互 ， 终 端 监视 模 块 依 据采集 监 视模块 传 来 的数 据 信 息 进行 显 示 、 记 录 和报 警 等操作 。 广]无线通信 广]光耦 隔离 广] I 终端监视模块卜 ． ⋯ 一叫 采集监视模块卜 ． 单体模块I 图 1 蓄电池充 放电无线监控系统组成 每个单体 电池装配以 S TM3 2 F 1 0 1芯片为核心 的参数采集单元 ， 负责采集电池的电压 、 温度参数并 通过级联的串口线传输数据 。众多采集单元之间有 数据通信 ， 从而构成单体模块。单体模块传来 的串 口信 号经光 耦 隔离 上传 给采集 监视 模块 。 采集监 视模 块是 整个 蓄 电池充 放 电无线 监控 系 统 的核心 ， 由均 采 用 S TM3 2 F 1 0 l芯 片 的 采 集 模 块 和监 视模块 组成 。与单体 模块 通信 的采 集模 块负 责 对 采 集 的参 数进 行分 析 、 处理 ； 与采 集模 块进 行 串 口 通信的监视模块主要负责将采集模块处理后的数据 一 路送 往触 摸屏 进 行 实 时 显示 ， 一 路 经 C C 1 1 0 1无 线 通信 模块 发往 终端 监视 模块 。 终 端监 视模 块根 据远 程发送 来 的蓄 电池组 电气 性 能参 数 ， 判 断 蓄 电池 工作 状况 ， 然后 发 出相应 指令 给 采集 监视模 块 。同 时 ， 还要 将 这 些 参 数发 送 到 触 摸屏 进 行显示 和参 数记 录 。 2系统 软件 设计 2 ．1通 信 协 议 层 以蓄 电池 组 在充 电房 进行 充 电时 为例 ， 空 间 上 可能 进入 同一 终端 监视模 块无 线识 别范 围 的蓄 电池 组应 统一 固定 编址 ， 不 可重址 ， 各 蓄电池 组 只工作 于 与其 编址对 应 的信道 。 系统无线通信流程如图 2所示 。采集监视模块 在未 与终端 监 视模 块 通 信 的 自由状 态 下 ， 周 期性 发 送 自由数据 包 总 电压 、 总电流 、 容量 、 存 电量 、 均温 、 内阻 、 循 环 次数 和满 电态 、 充放 态标 志等 ， 并在 工作 信道内搜索进入识别范围的终端监视模块发来的绑 定码命令包 ， 搜索到绑定命令后 ， 进入基于该采集监 视 模块 所属 蓄 电池组 的地址 为 特征 的绑定 状态 。然 后 ， 周期 性发 送绑 定 数 据 包并 等 待 终 端 监 视模 块 的 续 绑 回复 ， 失 去 回复一 定 时限后 ， 恢复 自由状态 。考 虑 到要 在 自由数据 包 内容 的基础 上增 加 蓄 电池 组所 a 采集监视模块 b 终端监视模块 图 2系统无线通信流程 2 0 1 5年 第 8期 穆 莉 莉等 蓄 电池充放 电无线监 控 系统设 计 1 2 1 有单体蓄电池的电压、 温度等参数 ， 系统 中对绑定数 据包发布周期做出适当延长处理。 终 端监视 模块 在未 与采 集监 视模块 绑定 的 自由 状态下 ， 周期性跨频扫描、 接收采集监视模块 的自由 数据包 ， 并以此刷新蓄电池组电气性能参数表格 ， 更 新 触摸 屏上 对应 蓄 电池 组 的数据 记 录 。新 进识 别范 围的蓄电池组增加新表格行 ， 脱离识别范围的蓄电 池 组删 除该 表格 行 。若 此 时 已经 过识 别 的蓄 电池组 只有 1组或 操作 人 员 强制 绑 定 某 一 组 蓄 电池 ， 就 无 需考虑运行 内存资源的消耗而与蓄电池组进行绑定 以获取详细的信息 。此 时， 终端监视模块往该组蓄 电池发 送绑 定码 命 令 包 ， 双 方 进 入 绑定 状 态 。终 端 监视模 块 不再跨 频 ， 而 是 周期 性地 接 收 采 集 监 视模 块远程发来的绑定数据包并根据实际情况 是否有 强制解绑命令或是否在规定 时限内收到绑定数据 包 发送续绑命令。 2 ． 2通 信 驱 动 层 2 ． 2 ． 1 无线传输模式设置 将 C C 1 1 0 1 无 线 通 信 模 块 配 置 成 长 度 为 3 2 b y t e 的 固定 数 据 包 工 作 模 式l 5 ] ， 使 用 4 0 0 MHz 基 频 ， 频 段 跨 度 为 2 0 0 k Hz ， 无 线 传 输 速 率 为 1 0 0 k b i t ／ s 。C C 1 1 0 1 重要的寄存器配置见表 1 ， 其余 寄存 器使 用 默认配 置 即可 。 表 1 C C 1 l O l相关寄存器配置 数 据包 处理 时 ， 收发 双方 开 启数 据 白化 和 C R C 校验 。接 收端 开启 C R C校 验 ， 当 C RC校 验 不 正 确 时不 自动 刷 新 接 收 F I F O， 2个 状 态 字 节 RS S I和 L QI 值及 C R C O K标志 附加在接收端 的有效载荷 上 ， 接收数据包无地址校验。 调制解调器配置 使 用 GF S K模式 ， 开 启曼彻 斯特 编解码 ， 检 测 3 0 b i t 或 3 2 b i t 同步字 ， 关 闭前 向 纠错 ， 使用 4 b y t e 前 导 、 2 b i t 指数 信道 间 隔 。 主无 线 控 制状 态 机 设 置 完 成 数 据包 接 收 后 进 人空闲状态 ， 完成数据包发送后进入接 收状态。从 空 闲状 态转 到发 送或 接收 状态 时 自动校准 。 2 ． 2 ． 2大数据包传输实现 理 论 上 固定 数据 包模 式下 1 个 数据包 最 多可发 送 2 5 5 b y t e数 据_ 6 ] ， 但 由 于 C C 1 1 0 1的 发 送 、 接 收 F I F O 只有 6 4 b y t e的缓 冲区 ， 所 以对 于大 于 6 4 b y t e 的数 据包 传输需 要 进行分 包 发送 。 将 采 集 监 视 模 块 S TM3 2 F 1 0 1芯 片 的 P A3引 脚与 C C 1 1 0 1无 线通 信 模块 的 GD O2引脚 相连 ， I O C F G 2的值设 置 为 0 x 0 6后 ， G DO 2引 脚 呈 现 收／ 发 同步字 时 置位 、 在 数 据包 的末 尾或 接 收 F I F O 溢 出时取 消置位 的特 性 ， 利 用 这 一 特 性 ， 将 P A3引 脚 对应 的外部中断 3设置为下降沿触发 ， 一旦 1个完 整的数据包发送至数据包的末尾则立即产生 1 个下 降沿 。基于此 ， 大数据包 的续发功能便得以实现 。 在终端监视模块和采集监视模块未绑定 的情况 下 ， 采集 模块 每 隔 1 5 ms 将 包含 当前 总 电流 、 总电压 等参 数 的 3 2 b y t e数 据 包 串行 地 发 往 监 视模 块 ， 由 监视模块以自由数据包 的形式经 C C 1 1 0 1无线通信 模 块 发 往 终 端 监 视 模 块 。 主 要 发 送 函 数 为 s p i C s e n d P a c k e t q u e ， 3 2 ， 其 中 q u e 是 一个动态分 配 的 队 列 。定 时 器 TI M 2的 中 断 处 理 函 数 调 用 q u e u e p u s h Tx Bu f ， 3 2 ， q u e u e p u s h Tx Bu f ， 3 2 函 数在堆 区分配 1个 3 6 b y t e 函数体内追加 4 b y t e 用 来标志 队列 头和尾 的位 置 的存 储 区域。然后将 T x B u f 存放将要发送数据的缓存区 中的数据依次 压入队列。终端监视模块则每隔 1 0 0 ms改变 1次 工作频率 ， 在属于每个工作频率的 1 0 0 ms时域 内， 利用 C C 1 1 0 1的 阈值 特 性 来 触 发 外 部 中断 接 收 端 C C 1 1 0 1无线通信模块的 F I F O THR寄存器设置为 0 x 0 7 ， 则 在接 收 F I F O 中有 超过 3 2 b y t e数据 时会 产 生上升沿跳变 ， 以接收状态的模式等待工作在相同 频率 的采 集监 视模 块发 来 的 自由数据 包 。外 部 中断 服务 程序 处理好 接 收 的 自由数 据包 后 ， 更 新 触 摸 屏 历史记录查询表中的数据 ， 并将新数据记 录到触摸 屏 的 Na n d f l a s h中。若 发 现是 刚进 入 识别 范 围 内 的 蓄 电池组 ， 则 在触 摸屏 上增 加该 蓄 电池 组相 应记 录 。 随后 终端 监视 模块 根据 情况 决定 是否 与该 蓄 电池组 的采集 监 视 模 块 建 立 绑 定 关 系 。如 果 无 绑 定 的必 要 ， 则在 1 0 0 ms 定 时 器 中断 来 临时 自动切人 下 一个 频率 ， 继 续重 复 以上 对 自由数 据 包 的处 理 操 作 。一 旦发现在识别范围内只有 1组蓄电池组或触摸屏传 来操作人员的绑定命令 ， 终端监视模块立刻切人绑 定状 态并 且 向采 集 监 视 模块 发 送 绑 定 命 令 。此 时 ， 触 摸屏界 面 切换 为 终 端 监 视 模 块 绑 定 状 态 监 控 界 面。随后终端监视模块不再跨频扫描， 而是一直在