基于Labview的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳輝煌

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建 莆田 351254）

由于交流市電在供應(yīng)的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)停電、電壓下陷上涌、持續(xù)欠壓過(guò)壓以及頻率波動(dòng)等不確定的干擾因素，這些因素會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)運(yùn)行造成影響，甚至對(duì)處于運(yùn)行狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器造成損壞。各個(gè)企業(yè)在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時(shí)候，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)供電方面都會(huì)采取必要的措施以提供高質(zhì)量的UPS電源[1]。這其中蓄電池組作為動(dòng)力供應(yīng)的最后保障，無(wú)疑是電源中的最后保險(xiǎn)。而蓄電池的工作狀態(tài)將直接影響UPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以必須對(duì)電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。可見，對(duì)電源中蓄電池的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)變得非常重要。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池各參數(shù)的準(zhǔn)確檢測(cè)，在做了需求分析的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了一種基于Labview的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”）設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)能夠完成對(duì)其準(zhǔn)確檢測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)需求分析

針對(duì)為滿足某型UPS電源蓄電池參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的需求，對(duì)電池智能化綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)的分析，得到系統(tǒng)采集信號(hào)共分為以下4個(gè)參數(shù)：電池的電壓、電流、溫度、電量等主要參數(shù)進(jìn)行采樣等信號(hào)。要想完成對(duì)以上信號(hào)的測(cè)試，需要做好以下幾個(gè)方面。首先該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能檢測(cè)處于各種工作狀況的輸入信號(hào)；其次，應(yīng)能將檢測(cè)的數(shù)據(jù)與PC機(jī)通信；再次，還應(yīng)具有將數(shù)據(jù)顯示并處理。

2 總體設(shè)計(jì)

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，在對(duì)蓄電池參數(shù)的檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)采集模塊監(jiān)測(cè)蓄電池運(yùn)行的情況，監(jiān)測(cè)電流是否在正常范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)單電池電壓是否正常，利用MCU控制器（AT89S52）及DS2438器件采集蓄電池各參數(shù)；采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)RS232串行接口[2]電路送達(dá)計(jì)算機(jī)；同時(shí)根據(jù)采集上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行容量的預(yù)估與測(cè)算，借助蓄電池?cái)?shù)據(jù)（電壓、電流、溫度、電量），構(gòu)筑蓄電池的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要由RS232串行通信接口電路、AT89S52控制器、DS2438蓄電池參數(shù)采集電路[3]等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)是基于Labview的串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以PC機(jī)作為上位機(jī)，單 片機(jī) （AT89S52）作下位機(jī)，上位機(jī)發(fā)送采集指令觸發(fā)下位機(jī)通過(guò)P2口讀取DS2438采集的電池參數(shù)值，并利用P3.0和P3.1的串行輸入輸出端，通過(guò)串口芯片MAX232傳輸給上位機(jī)的串口，利用Labview采集并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，再通過(guò)Labview進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

3.1 電池溫度參數(shù)的測(cè)量

電池溫度測(cè)量通過(guò)內(nèi)部的溫度傳感器將測(cè)量結(jié)果存放在DS2438溫度寄存器（第0頁(yè)1、2字節(jié)）中，通過(guò)單總線輸入輸出端口（DQ）與單片機(jī)P2.0端口完成串行數(shù)據(jù)傳送。電池參數(shù)采集電路如圖3所示。

圖3 電池參數(shù)檢測(cè)電路圖Fig.3 Battery parameters detection circuit diagram

3.2 電池電壓參數(shù)的測(cè)量

DS2438內(nèi)置了一個(gè)10位的電壓A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)選定一個(gè)電阻 R1=1 MΩ， 通過(guò)公式 14×1 MΩ/（1 MΩ+R）=10 V 得R2=390 kΩ，U實(shí)際為實(shí)際單節(jié)蓄電池的電壓，U測(cè)量為DS2438測(cè)量的電壓值，根據(jù)如下公式，U實(shí)際=U測(cè)量（1 MΩ+0.39 MΩ）/1 MΩ，可以在單片機(jī)中完成測(cè)量值轉(zhuǎn)換為實(shí)際值。

3.3 電池電流參數(shù)的測(cè)量

DS2438內(nèi)置了一個(gè)電流A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)單片機(jī)發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換器使能信號(hào)，DS2438對(duì)流過(guò)采樣電阻電流自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果存放于電流寄存器（第0頁(yè)5、6字節(jié)）中。對(duì)電流的采集電阻的選擇，應(yīng)不影響電池的使用，故選擇小阻值電阻，且電阻精度要求高。設(shè)計(jì)采用Rsens=0.025 Ω電阻。

為了抵抗電池干擾，設(shè)計(jì)RC低通濾波器。通過(guò)計(jì)算選擇R：100 kΩ，C：0.1 μF，截至頻率為：

對(duì)于DS2438的AD轉(zhuǎn)換頻率是36.41 Hz，該低通濾波器有效地濾除劍鋒脈沖，保障電流累加器準(zhǔn)確獲取采樣信號(hào)。

3.4 電池剩余電量的測(cè)量

電池的剩余電量用集成電流累加器（ICA）的值求得。ICA是一個(gè)累積電池組投入使用后的全部流入和流出電池電流的寄存器，其值是由DS2438定時(shí)自動(dòng)測(cè)量外接電阻Rsens幅的電壓后更改的，無(wú)需對(duì)其進(jìn)行控制，只需單片機(jī)讀出ICA寄存器的值，然后由下式計(jì)算得出電池的剩余電量[4]：

其中Rsens的單位為Ω。

4 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件采用Labview[5]編程，Labview是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI公司）推出的專為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)表達(dá)的圖形化編程環(huán)境，它是一個(gè)開放的開發(fā)環(huán)境，具有 PCI，PXI， RS-232/485，USB 等各種儀器通訊總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，開發(fā)者可以利用這些函數(shù)與不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口的數(shù)據(jù)采集硬件交互工作。本系統(tǒng)采用NI_VISA串口Serial函數(shù)來(lái)訪問(wèn)和控制串口，從而實(shí)現(xiàn)串口通信功能。首先，利用VISA Con2figure Serial Port.vi進(jìn)行串口初始化，然后利用VISA write.vi向?qū)懢彌_區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)讀取指令，最后利用VISA read.vi以字符串形式讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的8位二進(jìn)制數(shù)，并利用 HexadecimalString T o Number節(jié)點(diǎn)將8位字符串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成數(shù)字型數(shù)據(jù)，提供給控制電路[6]。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化編程，方便更新、維護(hù)與拓展，整個(gè)系統(tǒng)由溫度數(shù)據(jù)采集模塊、電壓數(shù)據(jù)采集模塊、電流數(shù)據(jù)采集模塊、電量數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊和系統(tǒng)幫助模塊等組成。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用Labview程序發(fā)送16進(jìn)制數(shù)據(jù)給單片機(jī)，啟動(dòng)各采集模塊采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)記錄參數(shù)，利用上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。既實(shí)現(xiàn)了采集監(jiān)控的功能，又可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和分析。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic diagram of the software test system

下位機(jī)軟件采用C語(yǔ)言編寫，包括DS2438的讀寫和串口通信兩個(gè)主要部分。上位機(jī)軟件采用Labview編寫。相關(guān)程序段如下所示。

系統(tǒng)下位機(jī)主函數(shù)：

5 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

該測(cè)試系統(tǒng)用于某型蓄電池溫度的測(cè)試。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先運(yùn)行該監(jiān)測(cè)應(yīng)用軟件，初始化后，通過(guò)完成檢測(cè)設(shè)置和通信配置等相關(guān)設(shè)置后，然后通過(guò)點(diǎn)擊主程序界面的相應(yīng)模塊檢測(cè)按鈕進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，其中上位機(jī)發(fā)送控制命令字，然后接收下位機(jī)發(fā)回的數(shù)據(jù)；并將結(jié)果進(jìn)行顯示，程序面板的部分界面如圖5所示。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。

圖5 測(cè)試界面圖Fig.5 Interface chart of the test system

6 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，既可對(duì)電池參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集與顯示，又可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程的控制，能夠滿足系統(tǒng)的測(cè)量需求。對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)已用于某型蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用表明該測(cè)試系統(tǒng)具有檢測(cè)準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。而且系統(tǒng)擴(kuò)展后可運(yùn)用于UPS電源電池組的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與測(cè)控。

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