基于RS485通信的深海電池組數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設計

趙 勝，李 圍，趙 權

應用研究

基于RS485通信的深海電池組數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設計

趙 勝，李 圍，趙 權

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

針對深海鋰電池組在充放電過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測的問題，設計了基于Labview圖形化編程平臺的監(jiān)測系統(tǒng)，通過單片機與上位機的485串行通信實現(xiàn)了對電池組電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控以及報警功能。

Labview 數(shù)據(jù)采集 RS-485串行通信 實時監(jiān)測

0 引言

現(xiàn)在，電池在各個領域和行業(yè)中廣泛的使用，船舶，航空，以及交通領域等等[1]，對我們的生活產(chǎn)生了深刻的影響，為了保證電池使用的安全與穩(wěn)定，對電池工作狀態(tài)下的監(jiān)測和早期的預警是非常重要的[2]，對電池數(shù)據(jù)的監(jiān)測也必須具有時效性、準確性、持續(xù)性等特點[3]，同時，也要具備對數(shù)據(jù)的存儲，故障報警的反應，數(shù)據(jù)查詢分析和統(tǒng)計等功能。

為了對電池充放電的過程進行有效的管理，利用Labview測控軟件開發(fā)設計電池組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集和波形顯示、故障報警、數(shù)據(jù)查詢和存儲等功能。Labview是圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，采用數(shù)據(jù)流的編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序[4]。Labview集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能[5]。Labview編程簡單方便，界面形象，生動，易于監(jiān)測[6]。利用Labview開發(fā)的上位機，可以實現(xiàn)與單片機的通信，接收電池組各項數(shù)據(jù)并顯示出來，簡單方便。

1 系統(tǒng)總體結構設計

鋰離子電池組在充放電過程中利用電源管理系統(tǒng)完成對電壓、電流和溫度等各項參數(shù)的采集，使用充放電機給電池充電、放電，利用開關控制調節(jié)充電和放電的狀態(tài)。在充放電過程中，觀察電壓，電流以及溫度的實時變化。利用電源管理系統(tǒng)采集電池工作狀態(tài)下的電流、電壓和溫度信號，通過RS-485串口通訊端將信息傳遞給上位機，然后會在上位機上顯示電池組各個參數(shù)的數(shù)值以及波形，方便隨時的監(jiān)測。該數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構

利用充放電機對電池組進行充放電循環(huán)試驗，充放電可以提供穩(wěn)定的恒流源，通過開關面板可以調節(jié)充放電的模式，通過RS485接口與上位機進行通信。

2 硬件結構設計

2.1 電壓采集

電池電壓的采集使用LTC6804-2芯片，可快速高效的測量12個串接電池的電壓，總誤差低于1.2 mv，LTC6804-2內(nèi)部的ADC采集完成后，通過SPI總線通訊將數(shù)據(jù)傳送給MCU。LTC6804-2芯片的電壓檢測功能，很大程度上簡化了電池管理的設計方案。單節(jié)鋰電池最高電壓不高于3.65 V，電池端電壓信號可以直接接入電池管理芯片通信端口，由此可以得到電壓的值。

2.2 電流采集

電池組的工作電流為放電過程回路中的電流，使用電流檢測板采集電路中的電流值。

霍爾電流傳感器的型號眾多，量程范圍寬泛，精度高、靈敏度高，抗干擾能力強。利用電流傳感器的霍爾效應檢測電路中的磁場強度，然后通過磁場強度計算電路中的電流值。

2.3 溫度采集

電池溫度的測量通過內(nèi)部的溫度傳感器將測量結果存放在溫度寄存器中，再經(jīng)過單總線輸入輸出端口與單片機端口完成串行數(shù)據(jù)傳送。

利用電源管理系統(tǒng)采集電壓、溫度、電流數(shù)據(jù)，使用電子開關控制總電路及充放電過程。上位機程序監(jiān)測RS485串口通訊端輸出，通過電子開關調節(jié)電池充電和放電過程之間的轉換。

3 軟件結構設計

3.1 通訊模式設置

電源管理系統(tǒng)與上位機采用485串口通信模式。在異步串行通信方式中，通信的發(fā)送與接收設備使用各自時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程，該方式實現(xiàn)起來簡單方便。具體通信流程如圖2所示。

因此，對電池的電流和電壓數(shù)據(jù)的采集利用串行通訊模式進行，采用RS-485異步串行通信標準實現(xiàn)單片機和上位機之間的數(shù)據(jù)通信。RS-485采用半雙工工作方式，支持多點數(shù)據(jù)通信，平衡發(fā)送和差分接收，可以抑制共模干擾，使通信保持穩(wěn)定。

圖2 電池數(shù)據(jù)采集通信流程

3.2 上位機軟件設計

利用Labview平臺開發(fā)上位機，Labview具有PCI，PXI，RS-232/485，USB等各種儀器通訊總線標準的所有功能函數(shù)，以及對鋰離子電池的充放電過程中電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)的變化進行實時監(jiān)測的功能。將界面上的數(shù)據(jù)顯示控件、表格以及波形圖合理的分布在前面板上，設計出的上位機前面板如圖3所示。

圖3 基于Labview平臺上位機前面板

上位機分為前面板和程序框圖，前面板主要分為六個子模塊：電池模塊數(shù)據(jù)界面、電壓數(shù)據(jù)界面、溫度數(shù)據(jù)界面、保護參數(shù)界面、程序更新界面、數(shù)據(jù)查詢界面。電池模塊數(shù)據(jù)界面列出了通訊端口，總電壓及支路電壓、總電流及支路電流、溫度值顯示框，波形圖表，上限報警燈等顯示控件；電壓數(shù)據(jù)界面列出了各支路單體電壓值顯示控件，以及最高電壓序號，最低電壓序號顯示控件；溫度數(shù)據(jù)界面列出了各支路單體溫度值顯示控件，以及最高溫度序號和最低溫度序號；保護參數(shù)界面列出了支路過流，支路過充，過溫，欠溫，單體電壓的保護值，可以設定和讀取保護參數(shù)；程序更新界面實現(xiàn)了讀取特定文件，并向下位機發(fā)送指令更新程序狀態(tài)；數(shù)據(jù)查詢界面可以查詢不同時間段的電池組的數(shù)據(jù)，并將查詢結果導出到excel中，以上就是上位機六個子模塊完成的功能。

Labview程序框圖面板中，主要由選擇打開串口，上位機向下位機發(fā)送請求指令，上位機獲取電壓值、電流值、溫度值和波形值等部分，關閉與串口的會話部分構成。

首先打開串口會話通過VISA資源名稱設置串口號為COM，VISA serial屬性節(jié)點對串口初始化的波特率為19200bit/s，數(shù)據(jù)位為8，無校驗位，停止位為1。上位機收到下位機傳送的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)信息解析出來，對應每一個單體的電壓、溫度值，以及充放電過程中的支路中的電流值。

上位機向下位機發(fā)送請求指令，在一個while循環(huán)中進行，將請求指令寫入VISA寫入函數(shù)的寫入緩沖區(qū)。程序中“等待下一個整數(shù)倍毫秒”函數(shù)控制循環(huán)速度，“停止”節(jié)點退出整個循環(huán)。

上位機獲取數(shù)據(jù)值通過VISA Read節(jié)點讀取數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包里面的有效信息通過截取字符串函數(shù)截取出來，然后將字符串轉換為字節(jié)數(shù)組，字節(jié)數(shù)組轉換簇函數(shù)，最后將數(shù)據(jù)信息按字節(jié)數(shù)解析，單體電壓信息由16位組成，占用兩個字節(jié)，電流信息由16位組成，占用兩個字節(jié)，溫度數(shù)據(jù)由8位組成，占用一個字節(jié)，電池鼓脹信息占用一個bit，以及狀態(tài)信息包含循環(huán)次數(shù)、剩余容量、工作狀態(tài)、故障信息各占一個字節(jié)。程序中對單體電壓、電流和溫度的值都設置了最大值，單體電壓值超出最大電壓值3.6V，低于2.65V報警燈都會亮起，電流值大于100A，溫度超過80℃同樣也會報警。

程序實現(xiàn)了IAP程序更新，調試上位機向BCU板發(fā)送程序更新指令，BCU板回復程序更新準備好應答，上位機收到應答后開始發(fā)送程序數(shù)據(jù)，間隔10 ms。BCU接收程序數(shù)據(jù)后進行應答，反饋更新狀態(tài)。

管理系統(tǒng)初始化會清除所有故障記錄數(shù)據(jù)，復位容量值，初始化設定所有保護參數(shù)。調試上位機向BCU板發(fā)送管理系統(tǒng)初始化指令，BCU板完成初始化后回復指令。上位機后面板部分程序框圖如圖4所示。

關閉與串口的會話部分，當程序運行結束時，會清空緩沖區(qū)，在條件結構中，條件判斷為真時，使用VISA Close節(jié)點關閉串口會話，單片機與上位機通信結束。

圖4 上位機后面板部分程序框圖

3.3 結果及分析

經(jīng)測試，該深海電池組數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)可以快速、準確的監(jiān)控電池組實時電壓，溫度，電流等數(shù)據(jù)及報警信息，對電池組全過程的運行狀態(tài)能夠精確記錄，方便操作人員對電池組系統(tǒng)的狀態(tài)進行分析，以及突發(fā)報警狀況大的及時響應。

4 結束語

本文主要為了研究二次鋰離子電池組在充電放電的過程中各項數(shù)據(jù)的實時變化，采用Labview圖形化編程平臺設計了上位機，界面簡潔直觀，開發(fā)效率高，使用方便。通過單片機與上位機的RS-485串行通信實現(xiàn)了對電池組電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)的采集，監(jiān)控和報警功能，同時數(shù)據(jù)也以圖形和數(shù)值的形式顯示出來。

[1] 湯佳明, 安偉. 基于LABVIEW的上位機串口通信程序設計 [J]. 電子設計工程, 2018, 26(11): 86-90.

[2] 魏興亞, 魏寧嫻, 趙佩. 基于LabVIEW的鋰電池SOC估計與參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 應用能源技術, 2016(2016年01): 45-48.

[3] 李夢, 楊金月. 基于LabVIEW開發(fā)平臺的單片機串口通訊系統(tǒng)設計[J]. 赤峰學院學報（自然科學版）, 2017, 33(23): 37-39.

[4] 萬松峰, 郭聯(lián)金. 基于LabVIEW和ARM的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 煤礦機械, 2016, 37(8): 24-26.

[5] 劉威. 圖形化語言LABVIEW應用于數(shù)據(jù)采集[J]. 電子技術與軟件工程, 2017(13): 249-249.

[6] 段文勇, 李燕. 基于LabVIEW的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 科技視界, 2017(4): 181-181.

Design of data monitoring system on lithium-ion battery based on RS485

Zhao Sheng, Li Wei, Zhao Quan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2022）10-0084-03

2021-09-30

趙勝（1988-），男，工程師。研究方向：電源管理系統(tǒng)及設計開發(fā)。E-mail：550736090@qq.com