基于以太网的蓄电池充放电电流远程监测系统的研制

2013-07-18张永亮

通信电源技术 2013年1期

张伟，郭锋，张永亮

（武汉军械士官学校二系，湖北武汉430075）

0 引言

蓄电池动力机械由于其噪声小、无尾气污染，在倡导绿色环保的今天得到了广泛的应用。对于这些机械而言，蓄电池的性能是决定其工作状态的关键因素。因此，研究蓄电池的充放电策略，延长其使用寿命，具有巨大的经济和社会效益。本文以TMS320F2812为核心，对蓄电池充放电电流进行在线监测，并将采集到的数据上传至上位机进行显示、分析和存储。

1 电流监测原理

常用的电流测量方法主要有阻性分流器、互感器和霍尔传感器。采用磁平衡原理的霍尔传感器，精度高、线性度好、抗干扰能力强，而且测量的时候不需要跟被测电路接触，从而在电流的测量中得到了广泛的应用。

基于以上论述，本系统采用霍尔电流传感器检测法，传感器为LEM公司的LTSR6－NP型霍尔电流传感器。该传感器的电流跟随精度di/dt≥50 A/μs，频测量带宽为DC～100 kHz，可以用来测量直流、交流、脉冲和各种不规则的电流，非常适合蓄电池充放电电流的监测。

根据霍尔电流传感器的输出电压与原边电流的关系：

式中，UOUT为输出电压；N为原边匝数。

本次设计采用原边匝数为1，IPN为10 A，将霍尔传感器的输出电压UOUT经过信号调理后输入DSP的A/D通道进行采集，然后根据公式（1）即可计算出原边电流Ip。

2 系统的硬件设计

该系统以TMS320F2812芯片为核心，其硬件原理框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

2.1 TMS320F2812芯片

TMS320F2812芯片是TI公司生产的高性能DSP芯片，采用了改进的哈佛结构和8级流水线的32位处理器，总线频率高达150 MHz，大大提高了数据存取速度和指令处理速度［2］。该芯片内置128K×16位的Flash；18K×16位的SRAM以及16×12位的A/D通道，并拥有SPI、SCI、McBSP、以及eCAN等多种外设接口。

2.2 电流信号调理电路的设计

为了保护DSP核心电路并提高测量精度，霍尔传感器输出的电压信号需要经过光电隔离和比例放大后才能输入DSP的A/D通道。光电隔离器件选用线性光耦LOC211，比例放大器件采用LM358，两种器件配合可以对两路电压信号进行光电隔离和比例放大，在需要对多路电流进行监测的情况下，大大减小了电路板的体积。

2.3 以太网接口的设计

本系统通过以太网跟上位机通讯，网络控制芯片使用DAVICOM半导体公司的DM9000A。该芯片是一款兼有高性能、低功耗的以太网MAC控制器芯片，具有通用的处理器接口，一个10M/100M自适应的PHY，兼容3.3 V和5 V的输入输出电压。DM9000A还提供一个 MII（介质无关接口）接口来连接Home PNA设备或其它支持MII接口的收发器，支持8位、16位、32位的接口来适应不同处理器对内部存储器的访问。它完全支持lEEE802.3u规格，支持lEEE 802.3x全双工的流量控制［3］。它的接口电路设计比较简单，容易完成不同系统的软件驱动开发。同时DM9000A还支持双绞线和光纤两种以太网传输介质。在电磁干扰严重的情况下，只要对双绞线传输的电路稍作更改即可进行光纤传输。

DM9000A的片选信号为XZCS01，映射区域的起始地址为0x2000。DM9000A和DSP之间通过8位地址/数据总线进行通信。DM9000A与网络的连接由接收信号线Rx＋、Rx－和发送信号线Tx＋、TX－通过隔离变压器（Transformer）与以太网水晶接头RJ45相连，隔离变压器用来将DSP核心电路同以太网进行电气隔离，以免互相干扰，保护内部电路不受损坏。DM9000A自带了4个通用输入输出接口（GP2－GP5），可以用来设计LED驱动电路，显示网络的通断、报文传输状态等信息，方便网络调试。

2.4 电源模块的设计

本系统中所有器件的供电电压共有三种：5 V，3.3 V和1.8 V，其中5 V和3.3 V为大部分器件的供电电压，而1.8 V为DSP核心电源电压，总功率在8 W左右。本次设计选用金升阳公司生产的LH15－10D0505－08型 AC－DC模块电源，将220 V输入电压转换为两路相互隔离的5 V直流电压输出，输出功率为15 W。该模块体积仅为62 mm×45 mm×22.5 mm，可以交直流两用，效率高，功率密度大。输出的两路5 V直流电压一路给没有光电隔离电路的器件或者光电隔离前的电路供电，另外一路经过DC－DC隔离芯片F0505S－2 W隔离后给光电隔离后的电路供电。内部电路中 DSP 所需的3.3 V供电和1.8 V供电由TPS73HD318芯片通过未隔离的5 V电源转换后获得。

2.5 抗干扰措施

蓄电池充放电时会产生大量的电磁干扰，如果不采取相应的抗干扰措施，将会影响测量精度，严重时会导致系统核心电路受到干扰，造成DSP复位。因此，本系统在设计硬件电路时采取了以下措施来增强系统的抗干扰能力：

（1）采用光电隔离器件对信号采集电路和DSP核心电路进行隔离，增强数据采集时的抗干扰能力；

（2）设计金属外壳机箱，抑制电磁场干扰；

（3）采用屏蔽双绞线传输或光纤传输，增强数据传输时的抗干扰能力；

（4）四层印刷电路板布线，提高稳定性，增强抗干扰能力；

（5）模拟地与数字地分离，装置对外壳单点接地等电势，防止外部干扰。

3 系统软件设计

下位机软件主要包括数据采集模块、网络接口模块。

图2 数据采集程序流程图

3.1 数据采集模块

数据采集模块利用定时器每1 s产生一次中断，在中断处理程序中对霍尔传感器输入A/D的信号进行采集，为了提高采样精度，在一个中断内进行两次采样，然后将平均值作为采样值。数据采集程序流程图如图2所示。

3.2 网络接口模块

网络接口模块主要是在DSP上实现TCP/IP协议栈。根据TCP/IP四层模型以及本系统的应用场合，设计了网络接口层、网际层、传输层和应用层。其中，网络接口层主要完成网络控制芯片DM9000A的初始化，以及底层数据的接受和发送，IP层实现了ARP、RARP、ICMP和IP协议，传输层采用 UDP协议，应用层主要完成采集数据的上传和下位机运行参数的设置。