藍(lán)牙技術(shù)在鋰離子電池在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：針對(duì)鋰離子電池使用過程中出現(xiàn)的安全問題，設(shè)計(jì)一種實(shí)用的鋰離子電池在線監(jiān)測系統(tǒng)。介紹藍(lán)牙技術(shù)的通信原理，詳細(xì)分析使用數(shù)字信號(hào)處理器DSP組成的低功耗系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和利用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸及其功能實(shí)現(xiàn)。測試結(jié)果表明，利用藍(lán)牙技術(shù)后，系統(tǒng)的精度大大提高，能更加準(zhǔn)確地預(yù)測鋰離子電池的健康狀態(tài)，提高了鋰離子電池使用的安全性。

關(guān)鍵詞：DSP鋰離子電池；藍(lán)牙技術(shù)；在線監(jiān)測；低功耗系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004—373X(2008)04—153—03

1 引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)日益廣泛地運(yùn)用在交通、電力、通信、計(jì)算機(jī)等系統(tǒng)的設(shè)備中，他已經(jīng)成為最重要的關(guān)鍵系統(tǒng)部件之一。他的運(yùn)行的安全性直接影響著整套設(shè)備。因此對(duì)鋰離子電池的在線監(jiān)測顯得十分重要。本系統(tǒng)主要是對(duì)鋰離子電池的性能如電壓、電流、溫度、內(nèi)阻、容量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并由軟件編制的內(nèi)阻綜合算法來準(zhǔn)確判斷鋰離子電池的健康狀態(tài)。

由于電池的內(nèi)阻都在毫歐數(shù)量級(jí)，要從電池測出其內(nèi)阻具有一定的難度。尤其在線監(jiān)測時(shí)電池端存在充電電壓紋波和負(fù)載變動(dòng)時(shí)的變化。在數(shù)據(jù)采集和有線通訊時(shí)干擾較大，如果不加特殊處理干擾信號(hào)很可能淹沒有用信號(hào)。考慮到藍(lán)牙技術(shù)采用了跳頻技術(shù)，并且跳頻的速度很高、抗干擾能力相當(dāng)強(qiáng)，可以保證信息傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠性能，因此采用藍(lán)牙技術(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)組成

2.1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)采用的控制器是MSP430F149單片機(jī)和TMS320LF2407 DSP。盡管單片機(jī)的I／O接口性能好，容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口，便于實(shí)現(xiàn)一些邏輯控制。但是單片機(jī)的浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算能力弱，本系統(tǒng)需用到大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，用單片機(jī)進(jìn)行處理就顯得比較困難。因此采用DSP芯片進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。DSP是專門為快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法而設(shè)計(jì)的、具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，他與單片機(jī)形成互補(bǔ)的關(guān)系，價(jià)格也非常適宜，在系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)方面，單片機(jī)和DSP都可以通過c語言進(jìn)行編程開發(fā)，很方便。

2.2硬件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)的研究

本系統(tǒng)主要由3部分組成：監(jiān)測模塊、控制模塊和藍(lán)牙通用模塊。

(1)監(jiān)測模塊：監(jiān)測模塊如圖1所示主要包括MSP430F149單片機(jī)、CPLD、各種傳感器，各種監(jiān)測電路等。他直接連接在電池組上，不必把電池從負(fù)載回路中斷開，由于經(jīng)過特殊處理其不受充電機(jī)和用電負(fù)載的影響。通過CPLD內(nèi)設(shè)計(jì)的電路把單體或整組電池有次序切入閉合回路由單片機(jī)采樣單體電池的電壓、內(nèi)阻和整組電池的電流、電壓、內(nèi)阻、溫度。然后通過藍(lán)牙通用模塊把采樣的數(shù)據(jù)傳送給控制模塊，讓控制模塊處理，同時(shí)還接收控制模塊傳送來的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)包，由此進(jìn)行參數(shù)設(shè)置控制。

(2)控制模塊：控制模塊如圖2所示主要包括TMS320LF2407 DSP處理器、LCD、鍵盤等。控制模塊一方面負(fù)責(zé)完成將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)阻綜合算法處理，把處理后的結(jié)果和由鍵盤輸入的設(shè)置參數(shù)分類；并采用結(jié)構(gòu)體的方式封裝成實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)包、實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)包、歷史事件記錄數(shù)據(jù)包和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)包。并把部分?jǐn)?shù)據(jù)包返回給監(jiān)測模塊，DSP根據(jù)其余的數(shù)據(jù)包要求控制硬件。另一方面在LCD上顯示處理結(jié)果。

(3)藍(lán)牙通用模塊：藍(lán)牙通用模塊是監(jiān)測模塊和控制模塊進(jìn)行無線通信的橋梁。由ROKl01007和阻抗為500 Q的微型天線組成。控制器通過RS 232方式發(fā)送HCI命令給藍(lán)牙通用模塊，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的復(fù)位、啟動(dòng)、地址查詢、自動(dòng)尋呼等操作，與附近的藍(lán)牙設(shè)備建立可靠的物理鏈路，并對(duì)該鏈路進(jìn)行相應(yīng)的加密。數(shù)據(jù)傳送階段，模塊接收由控制器傳來的HCI數(shù)據(jù)包，將其轉(zhuǎn)換為基帶數(shù)據(jù)包，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，將其轉(zhuǎn)換為可以發(fā)送的位數(shù)據(jù)流，再按照設(shè)定的跳頻算法，采用GFSK編碼方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)接收則以相反的過程進(jìn)行。

根據(jù)監(jiān)測現(xiàn)場的需要，本系統(tǒng)可以擴(kuò)展多組監(jiān)測模塊與一個(gè)控制模塊形成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的實(shí)時(shí)監(jiān)測微網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)監(jiān)測模塊作為從設(shè)備有惟一的地址，主要負(fù)責(zé)電池參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。控制模塊作為主設(shè)備，調(diào)動(dòng)從設(shè)備和實(shí)現(xiàn)算法控制。也可根據(jù)通信效果和實(shí)際需要，安裝在適當(dāng)?shù)牡胤健?/p>

3 軟件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)的研究

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法與硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，按整體功能分成多個(gè)不同的程序模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，最后通過主程序和中斷處理程序?qū)⒏鞒绦蚰K連接起來。這樣有利于程序修改和調(diào)試，增強(qiáng)程序的可移植性。系統(tǒng)軟件包括MSP430單片機(jī)、DSP的初始化、外圍電路驅(qū)動(dòng)、內(nèi)阻綜合算法等程序和藍(lán)牙通用模塊程序。

3.1監(jiān)測模塊和控制模塊程序設(shè)計(jì)

TMS320LF2407 DSP和MSP430F149單片機(jī)都是TI公司的處理器，他們都具有低成本、低功耗、高性能的處理能力且內(nèi)部資源豐富，因此軟件設(shè)計(jì)比較方便。單片機(jī)程序在IAR Embedded Workbench環(huán)境中完成，該單片機(jī)只需設(shè)置ADC采樣寄存器、UART寄存器、I／O端口、定時(shí)器、初始化溫度傳感器等，采用中斷方式定時(shí)的上傳實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)。DSP程序在CC′C2000環(huán)境中完成，只需設(shè)置相應(yīng)的寄存器和I／O端口，可以人工查詢電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)、歷史記錄和參數(shù)設(shè)置。他們的主程序算法如圖3，圖4所示。

3.2藍(lán)牙通用模塊程序設(shè)計(jì)

基于藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用軟件開發(fā)需要特定的開發(fā)裝置，ROKl01007是Ericsson公司的產(chǎn)品，因此需該公司的藍(lán)牙開發(fā)軟件EBDK(Ericsson Bluetooth Developmentskit)進(jìn)行系統(tǒng)藍(lán)牙通用模塊的程序設(shè)計(jì)。

藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義了主機(jī)控制接口HCI，HCI的標(biāo)準(zhǔn)主要是定義主機(jī)控制藍(lán)牙通用模塊的各個(gè)指令意義。HCI對(duì)基帶和鏈路管理提供統(tǒng)一命令，并設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)寄器。藍(lán)牙通用模塊的軟件包括初始化、FLASH編程、建立物理鏈路、數(shù)據(jù)的傳送和接收等。系統(tǒng)中監(jiān)測模塊和控制模塊與藍(lán)牙通用模塊間的傳輸采用RS 232協(xié)議，即監(jiān)測模塊和控制模塊通過RS232接口向藍(lán)牙通用模塊發(fā)送HCI命令，并從藍(lán)牙通用模塊接收HCI事件。在HCI的UART傳輸層可傳送4種不同類型的HCI包，如表1所示。

命令包用于主機(jī)對(duì)藍(lán)牙通用模塊發(fā)送命令，事件包用于藍(lán)牙通用模塊對(duì)主機(jī)的回送，數(shù)據(jù)包用于實(shí)現(xiàn)主機(jī)與藍(lán)牙通用模塊的雙向傳輸。HCI命令分為鏈路控制、鏈路策略、主控和基帶等若干組，各組以操作碼組段(OGF)區(qū)分，各組中又有若干種命令，以操作碼命令段(OCF)相區(qū)分。在HCI，ACL數(shù)據(jù)包里傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須是L2CAP格式的數(shù)據(jù)。

完整的ACL數(shù)據(jù)傳輸過程：首先不同編址的監(jiān)測模塊各自對(duì)其做相同設(shè)置；然后主設(shè)備發(fā)出查詢命令HCI Inquiry，將收到該模塊的命令完成事件包、對(duì)應(yīng)從設(shè)備模塊的地址包以及響應(yīng)從設(shè)備模塊的數(shù)據(jù)事件包。收到從設(shè)備模塊的地址號(hào)響應(yīng)后，主設(shè)備可以發(fā)出建立連接命令Creat_Connection。將收到本模塊返回的命令完成事件包和從設(shè)備模塊的連接完成事件包Connection_Complete。同時(shí)，從設(shè)備模塊也收到主設(shè)備模塊發(fā)來的Connection_Complete事件包。到此主從設(shè)備之間就成功建立了一條ACL傳輸鏈路，就可以在ACL鏈路上按上述數(shù)據(jù)包格式傳輸異步數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)情況及分析

本系統(tǒng)的難點(diǎn)是在線監(jiān)測鋰離子電池的實(shí)時(shí)內(nèi)阻，并由電池的內(nèi)阻來準(zhǔn)確預(yù)測電池SoC(荷電狀態(tài))和SOH(裂化程度)。給出部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此對(duì)比來判斷通信效果。實(shí)驗(yàn)過程中只接一組18650型鋰離子電池共10個(gè)，為進(jìn)行對(duì)比，ZM3000B數(shù)據(jù)測量使用的是哈爾濱子木科技有限公司的ZM3000B電池內(nèi)阻測試儀，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是經(jīng)過藍(lán)牙通信(7.2 m距離)后在控制模塊LCD上顯示的數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)現(xiàn)場測試知，電池組有不同程度的‘‘老化”，其中NO7最為嚴(yán)重，容量衰減到70％。整組放電測試容量為43％時(shí)，NO7達(dá)到放電下限電壓。電池組工作不正常，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警。在7.2 m的距離誤碼率為0.8％系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，9.0 m以后誤碼率較高，系統(tǒng)不太可靠。

實(shí)驗(yàn)表明，利用本系統(tǒng)可以滿足用戶要求。監(jiān)測模塊與控制模塊之間信息傳送的速度很快，串口波特率為115200 b／s，只是主從設(shè)備連接的過程大約需要2s左右；一旦連接上以后，就可以很快進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且信息傳送的正確率可以保證，

5 結(jié) 語

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確監(jiān)測鋰離子電池的實(shí)時(shí)電壓、電流、內(nèi)阻、溫度、SOC和SOH，性能穩(wěn)定可靠，藍(lán)牙通信在7.2 m以內(nèi)誤碼率低，滿足用戶要求。并且藍(lán)牙的價(jià)格會(huì)逐漸下跌，成本會(huì)越來越低，所以用藍(lán)牙作為短距離無線通信還是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的，具有一定的發(fā)展空間。