基于ARM的蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

張聰 姜波

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

蓄電池的內(nèi)阻與容量有著密切的關(guān)系，電池內(nèi)阻的變化趨勢(shì)，反映電池性能和壽命的變化趨勢(shì)。因此，用內(nèi)阻檢測(cè)法測(cè)定蓄電池的性能，實(shí)現(xiàn)蓄電池的在線維護(hù)，是目前公認(rèn)的蓄電池維護(hù)的最佳方案之一[1]。它能節(jié)省維護(hù)成本，并提供更多蓄電池的相關(guān)信息。內(nèi)阻測(cè)試法已被 IEEE列為“閥控密閉鉛酸蓄電池（VRLA）的維護(hù)、測(cè)試和更換的推薦辦法”中的一個(gè)部分。

本設(shè)計(jì)采用基于ARM單片機(jī)技術(shù)的四線交流法來實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)阻的測(cè)量。交流法通過對(duì)電池注入一個(gè)低頻交流電流信號(hào)，測(cè)出蓄電池兩端的低頻電壓和流過的低頻電流以及兩者的相位差，從而計(jì)算出電池的內(nèi)阻。交流法由于無須放電，不用處于靜態(tài)或脫機(jī)狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)安全在線監(jiān)測(cè)管理，避免了對(duì)設(shè)備運(yùn)行安全性的影響。同時(shí)施加的低頻信號(hào)頻率非常之低，施加的交流電流也非常小，故不會(huì)對(duì)蓄電池的性能造成影響，并且不需要負(fù)載箱[2]。

1 測(cè)試原理

系統(tǒng)采用交流法測(cè)量，見圖 1。其方法即在蓄電池兩端施加一交流激勵(lì)電流信號(hào) Is，測(cè)出蓄電池兩端電壓響應(yīng)信號(hào) V0，并測(cè)出 Is和 V0之間的相位差φ。

圖1 測(cè)量電池內(nèi)阻原理圖

由公式sIVZ0=及φcosZr=確定蓄電池內(nèi)阻r。

信號(hào)經(jīng)過限流電阻R和隔直電容C加到待測(cè)電池兩端，給電池注入交流信號(hào)，從電池兩端取出信號(hào)，送入后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路，這樣將注入電流回路和信號(hào)測(cè)量回路分開，實(shí)現(xiàn)四線交流法測(cè)量，降低了導(dǎo)線阻抗對(duì)電池內(nèi)阻測(cè)量的影響。

火車上的備用照明蓄電池一般容量為 200 Ah左右，內(nèi)阻約為1 mΩ，因此注入100毫安的電流，響應(yīng)為100μV，經(jīng)過信號(hào)處理完全可以準(zhǔn)確測(cè)得電池兩端的電壓響應(yīng)信號(hào)。

由 NorthStar蓄電池公司化學(xué)博士Dr.F.A.Fleming起草（9/13/2004）的文件中提到“要最大程度地獲取電路中各個(gè)參數(shù)的信息，所施加的交流電信號(hào)頻率非常關(guān)鍵。”“要在電路中獲取最多信息，即最大程度地反映NSB電池的物理化學(xué)屬性，電信號(hào)的理想頻率應(yīng)在 10～50 Hz之間?！蹦壳埃瑖?guó)內(nèi)大多數(shù)阻抗測(cè)試儀所使用的測(cè)試信號(hào)的頻率高達(dá)幾百甚至幾千赫茲，只有極少數(shù)測(cè)試儀表所使用的測(cè)試信號(hào)頻率在最佳頻率范圍中間[3]。因此，本系統(tǒng)選擇信號(hào)的頻率為40 Hz，它可以有效避免工頻干擾帶來的影響。

2 硬件設(shè)計(jì)

PHILIPS公司的 LPC2294功耗極低，它有16kB片內(nèi)靜態(tài)RAM和256kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，擁有多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口和2個(gè)SPI接口，8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)32位定時(shí)器（帶4路捕獲和4路比較通道），多達(dá)112個(gè)通用I/O口（可承受5V電壓），這一款單片機(jī)功能十分強(qiáng)大，非常適合用來設(shè)計(jì)便攜式儀器，所以本系統(tǒng)采用LPC2294HBD144作為CPU。

整個(gè)硬件電路可分為以下幾個(gè)主要模塊：信號(hào)源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊。具體電路組成可用圖2所示框圖描述。

LPC2294的定時(shí)器控制信號(hào)發(fā)送的頻率，通過SPI口發(fā)送數(shù)字轉(zhuǎn)換信號(hào)到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的

圖2 測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

模擬信號(hào)經(jīng)功放芯片放大后送電池激勵(lì)，調(diào)理后的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送CPU處理，電壓、電流之間的相差經(jīng)相位差轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后變?yōu)榉讲?，定時(shí)器對(duì)方波計(jì)數(shù)以求出相差。

在電路的具體實(shí)現(xiàn)中，采用了 12位的具有SPI接口的 D/A轉(zhuǎn)換器 DAC7513，與 LPC2294可直接接口，功率放大器選用 OPA551，這款功率運(yùn)算放大器可輸出200 mA的電流，并且放大倍數(shù)可任意選擇，完全滿足需要，信號(hào)調(diào)理電路采用TLC2262，AD620兩種超低功耗運(yùn)放，保證了整機(jī)的低功耗，液晶選用點(diǎn)陣圖形液晶模塊NS240128A[4]。

2.1 電壓信號(hào)調(diào)理電路

由于電池內(nèi)阻很小，因此，電池兩端產(chǎn)生的激勵(lì)電壓信號(hào)很微弱，容易受到噪聲干擾。為了準(zhǔn)確測(cè)量激勵(lì)電壓，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，以濾除激勵(lì)電壓頻率以外的噪聲和干擾。電壓信號(hào)調(diào)理電路框圖如下：

圖3 電壓信號(hào)調(diào)理框圖

差分放大器具有雙端輸入-單端輸出、共模抑制比高的特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，二階有源帶通濾波器有很好的穩(wěn)定性，也可方便地設(shè)定中心頻率和品質(zhì)因子。在無法定制精密電阻電容的情況下，帶通濾波器的中心頻率往往會(huì)偏離設(shè)計(jì)值，因此需要微調(diào)激勵(lì)信號(hào)的頻率，在（40±1）Hz的范圍里微調(diào)到Q值最高的頻率點(diǎn)。

2.2 采樣電路

為了提高儀器的測(cè)試精度，我們選用了高精度的轉(zhuǎn)換器 AD7865。它是一種高速、低功耗、四通道同步采樣的14位A/D轉(zhuǎn)換器，采用+5V供電。芯片內(nèi)部包含一個(gè)比較器，四個(gè)跟蹤/保持放大器，內(nèi)部2.5 V參考電壓和一個(gè)14位的高速并行口。芯片的四個(gè)同步采樣通道可保持四路信號(hào)的相對(duì)相位信息[5]。該芯片系列有三種型號(hào)，本設(shè)計(jì)采用的是AD7865-1。

LPC2294的P0.11與AD7865的CONVST連接，作為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，P0.9與BUSY相連，檢測(cè)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，其中，/H/S和SL4接低電平，SL1～SL3接高電平，即本設(shè)計(jì)使用的是硬件通道選擇，且選擇了三個(gè)通道，三個(gè)信號(hào)分別從管腳VIN1～VIN3輸入。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換器接口電路

2.3 液晶接口

NS240128A點(diǎn)陣圖形液晶模塊的點(diǎn)象素為240×128點(diǎn)，外部顯示存儲(chǔ)器為32 kB。液晶模塊采用8位總線接口與微控制器連接，該模塊沒有地址總線，顯示地址和顯示數(shù)據(jù)均通過 DB0～DB7接口實(shí)現(xiàn)。由于模塊的工作電源是 5 V而LPC2294的I/O電壓為3.3 V，所以在總線上串接470 Ω的保護(hù)電阻。圖形液晶模塊的C/D與A1連接，使用A1控制模塊處理數(shù)據(jù)/命令。由于液晶顯示模塊是LPC2294的一個(gè)慢速外設(shè)，要使兩者的速度達(dá)到匹配，在每條指令之間加入一定的延時(shí)，一般為1 μs以上。接口電路如圖5所示。

圖5 液晶接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

電池內(nèi)阻測(cè)試儀采用 ARM 公司推出的ADS1.2作為軟件開發(fā)平臺(tái)，完成采集數(shù)據(jù)的處理，顯示被測(cè)蓄電池的內(nèi)阻值。它還包含過載報(bào)警，當(dāng)測(cè)量值超出測(cè)量范圍時(shí)，發(fā)出警告。其主程序流程圖見圖6，定時(shí)器1設(shè)計(jì)流程如圖7。

程序采用模塊化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了程序的可讀性和移植性。主要模塊包括D/A轉(zhuǎn)換程序，A/D采樣程序，脈寬計(jì)數(shù)程序，內(nèi)阻計(jì)算程序和液晶顯示程序。

圖6 電池內(nèi)阻采集程序流程圖

圖7 定時(shí)器1設(shè)計(jì)流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)經(jīng)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

表1 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

研制的樣機(jī)經(jīng)實(shí)際測(cè)試，單體電池內(nèi)阻的測(cè)量范圍為(1～10)mΩ，精度優(yōu)于5%。由于采用了單片機(jī)，提高了測(cè)試儀的便攜性，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]朱磊, 趙林英. 基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)的電池內(nèi)阻測(cè)試儀[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 10(5)： 67～69

[2]李立偉,鄒積巖. 蓄電池內(nèi)阻測(cè)量裝置的研究[J]. 工裝設(shè)備, 2003, 27(1)： 42～44.

[3]林大華. 國(guó)外蓄電池日常維護(hù)測(cè)試技術(shù)[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2007, (6)： 81～83.

[4]夏天, 伍小生. 便攜式蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀的研制[J].電源技術(shù), 2007, 31(1)： 49～52.

[5]王成海, 董建友. AD7865在電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J]. 電子技術(shù), 2002, (8)： 45～48.