超級(jí)電容UPS智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐武兵，關(guān) 永＋，吳立鋒，王國(guó)輝，李曉娟，潘 巍

（1.首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京100048；2.首都師范大學(xué) 高可靠嵌入式系統(tǒng)技術(shù)北京市工程研究中心，北京100048；3.首都師范大學(xué) 電子系統(tǒng)可靠性技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100048）

0 引 言

由于超級(jí)電容的UPS電源系統(tǒng)安裝在野外，工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致UPS系統(tǒng)故障頻發(fā)和超級(jí)電容劣化加速，使得UPS的可靠性降低。又因?yàn)槲恢闷Х稚ⅲ琔PS維護(hù)起來非常麻煩。針對(duì)這些問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了超級(jí)電容UPS智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)在線對(duì)UPS狀態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障立即向服務(wù)器發(fā)送警報(bào)和故障信息；提供遠(yuǎn)程操作接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；對(duì)超級(jí)電容模組定期劣化檢測(cè)，評(píng)估各串聯(lián)支路的劣化程度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體框架如圖1所示，主要包括中央處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通信模塊以及顯示模塊，各模塊功能描述如下：

圖1 系統(tǒng)框架

（1）中央處理器模塊：中央處理器模塊是系統(tǒng)的核心，其功能可分為系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理、分析計(jì)算。系統(tǒng)控制主要包括采集控制、通信控制、顯示控制；數(shù)據(jù)處理主要包括對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波、整形操作；分析計(jì)算主要是對(duì)處理后的數(shù)據(jù)按照給定的算法進(jìn)行分析計(jì)算，給出最終結(jié)果；

（2）數(shù)據(jù)采集模塊：要采集的信號(hào)分為電壓、電流、溫度3類，信號(hào)經(jīng)過隔離分壓后通過傳感器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后將數(shù)據(jù)傳送給STM32處理；

（3）存儲(chǔ)模塊：存儲(chǔ)模塊主要是記錄和儲(chǔ)存分析結(jié)果以及故障時(shí)采集的數(shù)據(jù)信息；

（4）通信模塊：通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，發(fā)送數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果，報(bào)警信息，接收數(shù)據(jù)主要是控制指令和數(shù)據(jù)；

（5）顯示模塊：實(shí)時(shí)在LCD 顯示各個(gè)部分的工作狀態(tài)。

系統(tǒng)為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)UPS 的工作狀態(tài)，在UPS 中設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)測(cè)量各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓和電流值并與預(yù)設(shè)的閾值比較來判斷是否異常。為了能夠?qū)Τ?jí)電容各串聯(lián)支路進(jìn)行劣化檢測(cè)，在各支路上添加了一個(gè)繼電器開關(guān)，通過控制繼電器可以將該支路獨(dú)立出超級(jí)電容模組，進(jìn)而可以對(duì)該支路單獨(dú)進(jìn)行劣化檢測(cè)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32主控芯片

STM32F103VET6使用高性能的ARMCortex－M3 32位的RISC 內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，可以在－40℃至＋105℃的溫度范圍內(nèi)工作。同時(shí)，內(nèi)置有128 K 高速存儲(chǔ)器，具有豐富的I／O 端口，包含兩個(gè)12 位的ADC，每個(gè)ADC提供16個(gè)外部通道，還包含3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM 定時(shí)器，兩個(gè)I2C 和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN 標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口［1］。其豐富的外設(shè)配置和優(yōu)異的性能可以減少開發(fā)成本，縮短開發(fā)時(shí)間，能很好滿足系統(tǒng)需求和設(shè)計(jì)要求，所以系統(tǒng)選擇STM32F103VET6作為主控芯片。

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 電壓采集

電壓采集分為巡檢電壓采集和超級(jí)電容充放電電壓采集，電壓采集范圍為0 V～55 V，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，巡檢電壓要求精確到0.02V，使用STM32自帶的12位AD 在該電壓范圍內(nèi)最低可精確到0.014V，所以巡檢電壓采集使用自帶的AD。而超級(jí)電容充放電電壓采集要求精確到0.001 V，通過計(jì)算至少需要16位AD 才能達(dá)到要求，系統(tǒng)選擇的是美國(guó)ADI 公司生產(chǎn)的16 位AD7715 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7715是AD77XX 系列芯片中的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是采用∑－Δ技術(shù)的ADC 代表產(chǎn)品，具有噪聲低 （小于550nV rms）、線性誤差小 （小于±0.0015%）、溫漂小等特點(diǎn)。AD7715還具有SPI（串行外圍接口）接口，能夠方便的與STM32F103VET6相連［2］。為了進(jìn)一步提高其精確度，選用AD780作為基準(zhǔn)電壓源，電路連接如圖2所示。

圖2 AD7715原理

2.2.2 電流采集

由于電流采集點(diǎn)較多，為了減少成本，電流采集是利用采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，再通過STM32自帶的12位AD 進(jìn)行采集。

2.2.3 溫度采集

由于系統(tǒng)工作在野外，溫度變化比較大，且超級(jí)電容的C和ESR 受溫度的影響很大，所以要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的環(huán)境溫度。溫度傳感器選用DALLAS 公司生產(chǎn)的DS18B20，DS18B20使用單線接口技術(shù)，只需一個(gè)I／O 口即可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的雙向通信；具有唯一的64位光刻標(biāo)識(shí)碼，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能；外圍電路簡(jiǎn)單，僅需一個(gè)4.7k電阻即可；測(cè)量范圍寬，可達(dá)－55 ℃～＋125 ℃［3］。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

由于系統(tǒng)在劣化檢測(cè)過程中需要采集大量的電壓、電流等數(shù)據(jù)，所以必須添加外部存儲(chǔ)，本系統(tǒng)中選用8G 的SD卡存儲(chǔ)各類采集信息。SD 卡支持SDIO 和SPI兩種操作模式，為了保證讀寫速率，系統(tǒng)選用SDIO 操作模式［4］。

2.4 數(shù)據(jù)通信

2.4.1 串口通信

系統(tǒng)通過串口完成與上位機(jī)之間的通信，串行接口使用的是STM32F103VET6的USART1接口。由于系統(tǒng)工作在野外，上位機(jī)都是筆記本，而筆記本只提供USB 接口，所以系統(tǒng)選用Prolific公司生產(chǎn)的RS232－USB 接口轉(zhuǎn)換器PL2303實(shí)現(xiàn)USB與RS232信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)換。

2.4.2 以太網(wǎng)通信

由于基站提供了以太網(wǎng)接口，所以系統(tǒng)是通過以太網(wǎng)完成與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信，以太網(wǎng)控制器芯片選擇的是Microchip推出的ENC28J60 （工業(yè)級(jí)）。ENC28J60 能很好的滿足系統(tǒng)對(duì)封裝體積、通信速率、工作溫度等要求，因?yàn)樗哂腥缦绿攸c(diǎn)：只有28引腳，封裝體積小，外部驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，電路連接如圖3所示；符合IEEE802.3的全部規(guī)范，與主控制器的通信通過兩個(gè)中斷引腳和SPI腳實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)10 Mb／s；工作溫度范圍寬，能在－40 ℃～＋85 ℃范圍內(nèi)正常工作［5］。

圖3 ENC28J60原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)程序整體流程

為了方便系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)，系統(tǒng)的軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障檢測(cè)、劣化評(píng)估、數(shù)據(jù)通信、LCD 顯示幾個(gè)功能模塊。系統(tǒng)程序總體流程如圖4所示，系統(tǒng)進(jìn)入主函數(shù)后是初始化外設(shè)和系統(tǒng)變量，開啟中斷，因?yàn)楣收蠙z測(cè)、串口通信、劣化檢測(cè)都是通過中斷實(shí)現(xiàn)的，連接服務(wù)器讀取配置參數(shù)，開啟網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)聽，進(jìn)入主程序循環(huán)體，等待通信請(qǐng)求，如果有通信請(qǐng)求，系統(tǒng)會(huì)獲取通信數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中獲得指令后，對(duì)指令進(jìn)行分析，執(zhí)行相應(yīng)操作，操作完成后將操作信息寫入日志文件，更新LCD 顯示。

圖4 主程序流程

3.2 故障檢測(cè)

由于故障檢測(cè)要求實(shí)時(shí)性，所以采用定時(shí)器SysTick每10ms產(chǎn)生一次中斷來故障檢測(cè)，為了保證實(shí)時(shí)性，將SysTick定時(shí)器的中斷等級(jí)設(shè)置為最高。當(dāng)中斷產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)依次采集每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓電流信號(hào)，并與預(yù)設(shè)的閾值比較，閾值可以根據(jù)3σ準(zhǔn)則和工程師經(jīng)驗(yàn)來設(shè)置。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)異常時(shí)，為了防止誤檢，系統(tǒng)會(huì)對(duì)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)檢測(cè)3次，如果3次都不在閾值范圍內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)將故障信息封裝起來，通過以太網(wǎng)向服務(wù)器發(fā)送故障信息，否則不做處理，故障檢測(cè)流程如圖5所示。

3.3 劣化檢測(cè)

3.3.1 C和ESR 測(cè)試原理

超級(jí)電容容量C測(cè)試的主流方法有時(shí)間常數(shù)法，恒流充電法，恒流放電法3種［6］，相比之下，時(shí)間常數(shù)法雖然簡(jiǎn)便快捷，但是無法呈現(xiàn)超級(jí)電容充放電的電壓變化情況；恒流充電法由于超級(jí)電容的浮充現(xiàn)象的存在不能準(zhǔn)確的反應(yīng)超級(jí)電容的電壓變化，測(cè)得的電容量偏小；恒流放電法與恒流充電法相似，但是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，恒流放電法受浮充影響較小，所以本系統(tǒng)采用恒流放電法來測(cè)量超級(jí)電容的容量C，容量計(jì)算遵循式 （1），式中I為放電電流，ΔU為電壓壓降，Δt為超級(jí)電容壓降所需時(shí)間

圖5 故障檢測(cè)流程

測(cè)量超級(jí)電容等效串聯(lián)電阻ESR 的方法是跳變法，跳變法是通過捕捉超級(jí)電容在放電瞬間由ESR 引起的跳變電壓ΔU跳和充放電電流I，由式 （2）計(jì)算得到ESR［7］

3.3.2 劣化評(píng)估

根據(jù)IEC＿62391標(biāo)準(zhǔn)，超級(jí)電容的劣化定義為電容量C減少20%或者等效串聯(lián)電阻ESR 增加到原來的兩倍，所以劣化評(píng)估選擇超級(jí)電容串聯(lián)組的電容量C 和等效串聯(lián)電阻ESR 作 為 其 劣 化 參 數(shù)［8，9］。劣 化 評(píng) 估 策 略 如 圖6 所 示，需要對(duì)同一型號(hào)的超級(jí)電容串聯(lián)組做大量重復(fù)性測(cè)試，形成一個(gè)具有溫度階梯的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，將測(cè)得的C、ESR 與相應(yīng)溫度下標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的C、ESR 比較，分別求出C 和ESR 的劣化百分比，由于在實(shí)驗(yàn)過程中，C 的測(cè)試相對(duì)準(zhǔn)確穩(wěn)定，所以要分別給C和ESR 的劣化百分比乘以一個(gè)權(quán)值，權(quán)值的確定可以根據(jù)實(shí)際情況而定，選擇劣化值做大的作為串聯(lián)組的劣化值。

圖6 劣化評(píng)估策略結(jié)構(gòu)

3.3.3 劣化檢測(cè)流程

劣化檢測(cè)可以由外部時(shí)鐘產(chǎn)生的定期檢測(cè)中斷、按鍵中斷以及服務(wù)器／上位機(jī)指令3種方式觸發(fā)，檢測(cè)流程如圖7所示，劣化檢測(cè)觸發(fā)后通過控制繼電器將第一列超級(jí)電容串聯(lián)組獨(dú)立出電容組，對(duì)其進(jìn)行恒流限壓充電，為了減少浮充對(duì)檢測(cè)的影響，充電電流必須小于50mA 時(shí)才可停止，并且需要靜置一段時(shí)間再做放電測(cè)試。為了防止突發(fā)情況，超級(jí)電容串聯(lián)組必須保留一定電量，所以當(dāng)電壓低于Ulimit時(shí)必須停止放電。充放電測(cè)試結(jié)束后，系統(tǒng)取串聯(lián)組靜置時(shí)的端電壓為跳變前電壓，再利用最小二乘法擬合放電電壓變化斜線，求出跳變后電壓和電壓的變化率，進(jìn)而求出C和ESR，進(jìn)行劣化評(píng)估。當(dāng)所有串聯(lián)組都檢測(cè)完畢后，系統(tǒng)會(huì)將所有數(shù)據(jù)和結(jié)果封裝并發(fā)送到服務(wù)器。

圖7 劣化檢測(cè)流程

3.4 數(shù)據(jù)通信

3.4.1 串口通信

系統(tǒng)與上位機(jī)的通信是通過中斷實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)有上位機(jī)接入系統(tǒng)并向串口發(fā)送指令時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)串口中斷并接收指令和數(shù)據(jù)，然后解析指令，根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，操作完成后將操作信息寫入日志文件。

3.4.2 以太網(wǎng)通信

系統(tǒng)與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信采用TCP／IP協(xié)議傳輸，因此系統(tǒng)移植了uIP1.0協(xié)議棧。uIP 是由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院的Adam Dunkels開發(fā)，其源代碼由C語(yǔ)言編寫，并完全公開。uIP協(xié)議對(duì)TCP／IP協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)化，刪除了其中不常用的功能，但保留了網(wǎng)絡(luò)通訊所必需的主要協(xié)議，將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在IP、TCP和ICMP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)上，編譯好的uIP協(xié)議應(yīng)用程序一般占ROM 不到30kB，內(nèi)存開銷少，因此特別適合移植到資源有限的嵌入式系統(tǒng)中［10］。

系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信流程如圖8所示，通信會(huì)在兩種情況下發(fā)起，一種是當(dāng)系統(tǒng)劣化檢測(cè)完成后或者檢測(cè)出故障時(shí)，由系統(tǒng)向服務(wù)器發(fā)送通信請(qǐng)求，將最新的劣化檢測(cè)數(shù)據(jù)或者故障信息封裝并發(fā)送給服務(wù)器；另一種是當(dāng)服務(wù)器需要向系統(tǒng)發(fā)送指令時(shí)，服務(wù)器會(huì)向系統(tǒng)發(fā)送通信請(qǐng)求，將指令和數(shù)據(jù)封裝并發(fā)送給系統(tǒng)，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)包中取出指令并解析，然后根據(jù)指令完成相應(yīng)操作。

圖8 以太網(wǎng)通信流程

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 故障檢測(cè)測(cè)試

監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位置，通過控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓變化來注入故障。圖9為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到故障后向服務(wù)器發(fā)送的故障信息，故障信息包括故障點(diǎn)信息和故障發(fā)生前的電壓數(shù)據(jù)，可以根據(jù)故障點(diǎn)信息判斷發(fā)生故障的模塊，故障點(diǎn)的電壓數(shù)據(jù)可供工程師分析故障原因。

4.2 故障評(píng)估測(cè)試

測(cè)試用的超級(jí)電容選用的是北京合眾匯能生產(chǎn)的HCAP－P 2R7 407，其電容量C 為400F，等效串聯(lián)電阻并未標(biāo)注，利用遼寧百納電氣有限公司生產(chǎn)的單體超級(jí)電容ESR 測(cè)試設(shè)備測(cè)得其ESR 為10mΩ 左右。將4只超級(jí)電容串聯(lián)并接入系統(tǒng)進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，充放電電流均為2A，得到其充放電電壓曲線如圖10所示。

從圖10中可以清楚的看到超級(jí)電容組在充放電過程中電壓的變化過程，其中0～t1階段為恒流限壓充電，t1～t2階段為靜置，t2時(shí)刻為電壓跳變時(shí)刻，t2～t3階段為恒流放電。通過對(duì)電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、擬合、計(jì)算3 個(gè)步驟即可求得該超級(jí)電容組的C 和ESR。為了能夠排除測(cè)試的偶然性，在相同條件下進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)，得到處理后的數(shù)據(jù)見表1。表中△U 為跳變電壓，DisI 為放電電流平均值，a為放電電壓擬合后的斜線斜率，b為斜線常數(shù)項(xiàng)，C為電容量，ESR 為等效串聯(lián)電阻。

圖9 服務(wù)器接收的故障信息

圖10 超級(jí)電容電壓變化過程

由電容串聯(lián)特性可以求出超級(jí)電容組C 的理論值為100F，ESR 為40mΩ，通過比較可以發(fā)現(xiàn)測(cè)得的C與理論值很接近且穩(wěn)定，可以證明所測(cè)的C 是可信的，ESR 與理論值相差甚遠(yuǎn)是因?yàn)槌?jí)電容串聯(lián)后引入了導(dǎo)線電阻、接觸電阻等因素，為了能夠驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)得ESR 的變化值，在保持其它條件不變的情況下，在超級(jí)電容組中串聯(lián)一個(gè)10mΩ 的電阻，測(cè)試結(jié)果見表2，其中ESR 差值是串聯(lián)電阻后測(cè)得的ESR 與串聯(lián)小電阻前測(cè)得的ESR 的差值，劣化程度是將ESR 差值代入劣化評(píng)估公式，以理論值40mΩ 為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的劣化百分比。從結(jié)果上來，差值接近10mΩ 且穩(wěn)定，可以證明系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的測(cè)得ESR 的變化并做出劣化評(píng)估。

表1 置入電阻前測(cè)試結(jié)果

表2 置入電阻后測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)某電力設(shè)備制造有限公司提出的需求，為其應(yīng)用中的超級(jí)電容UPS設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)和定時(shí)中斷，實(shí)現(xiàn)了在線故障檢測(cè)；通過在超級(jí)電容組中加入繼電器，實(shí)現(xiàn)了各串聯(lián)支路的控制；通過恒流放電法和跳變電壓法，實(shí)現(xiàn)了各串聯(lián)支路C和ESR 的測(cè)量，并與建立的C和ESR 的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)比較，實(shí)現(xiàn)了劣化評(píng)估。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)能夠快速檢測(cè)出故障信號(hào)，準(zhǔn)確的測(cè)量超級(jí)電容各串聯(lián)支路的C 和ESR 并進(jìn)行劣化評(píng)估，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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