基于LabVIEW的蓄電池模擬監測系統設計

徐瑞超，常麗園

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

伴隨著微電子技術與現代計算機技術的發展，以及高精度儀器儀表的應用，使得數據的多路采集智能化成功實現。大量的數據采集和處理由計算機完成，測量精度和測量速度都得到了大大的提高。蓄電池參數實時監測方面有許多可行性方法，比如基于CAN總線的分布式監測系統[1],基于Linux的在線監測系統[2]，基于網絡技術的遠程監測系統[3-5]，基于虛擬儀器的在線監測系統[6-7]，以及有一些蓄電池參數監測的其他方式[8-10]。

LabVIEW軟件以其圖形化編程方式深受用戶歡迎，其普及率目前僅次于C++編程語言。將LabVIEW應用于蓄電池參數監測[11-13]，可以對蓄電池電壓、阻抗、溫度進行實時顯示和存儲，并具有超過閾值的報警顯示功能。結合NI公司生產的 PCI6221 數據采集板卡，將采集來的各種數據通過 DAQ 助手的方式實時傳輸到LABVIEW平臺進行顯示處理。

本設計采用虛擬儀器LabVIEW平臺和NI的PCI6221數據采集卡實現對電壓，阻抗，溫度信號的數據采集與顯示存儲。通過采集卡，信號從多通道傳輸到LabVIEW進行顯示。設置閾值電壓、阻抗、溫度，當達到閾值時，系統便會報警提醒用戶采取保護措施。應用密碼保護功能防止他人對程序和前面板進行篡改實現程序和控制界面的安全。應用web發布技術可以使其他沒有裝LabVIEW的用戶實現在網頁上對前面板的遠程的查看和有效的控制。有效地實現了對蓄電池參數的監測控制，實時將數據呈現在用戶眼前，具有的報警功能實現對象的安全保護，讓用戶可以實時掌握電池參數動態。密碼保護實現程序安全無篡改，web技術實現客戶端遠程訪問等。

1 總體設計

本設計主要采集電壓、溫度、阻抗信號，前面板分別由用戶登錄系統、實時數據采集顯示組成。系統組成如圖1所示。

圖1 采集系統組成

信號經過DAQ板卡進行AD轉換，將模擬信號轉換為數字信號，經過驅動程序在Labview程序界面進行顯示并進行保存。

2 登錄系統設計

圖2 用戶登錄界面前面板

登錄到系統程序員管理程序，設置用戶名稱和密碼，以防止對程序修改，保證程序成功運行。本設計的登錄系統有一個突出的優點就是界面簡潔，直接通過用戶名和密碼就可以實現登陸。該系統缺點為無法添加新用戶。只有管理員才能通過登錄系統登陸，且沒有密碼重置功能。圖2為用戶登錄界面前面板。

3 實時數據采集系統設計

實時的數據采集系統分為電壓采集、阻抗采集、溫度采集。實驗中用干電池模擬蓄電池進行測量，蓄電池和干電池的區別在于蓄電池充放電有電壓變化，干電池為恒定電壓。設計中，所用的電池是3節普通干電池，每1節的電壓是1.5 V，由于數據采集卡的精度和計算機內部信號干擾，采集的電池組電壓不是恒定的，當電壓在4.5 V左右波動時，即認為結果基本正確。在電壓采集中接線如圖3所示，電壓采集顯示的前面板如圖4所示。

圖3 電壓采集接線圖

圖4 對比度電壓采集前面板

在采集電阻時，之前直接通過數據采集板卡采集電阻信號，但后來發現恒定電阻波動太大，采集很不準確，只好采用其他方法。分析原因與采集端子兩端本身就有微弱電壓有關，由于施加外部微弱電流，計算機自身信號干擾和板卡采集精度就會影響也會很大，不能忽略。根據歐姆定理，可以給電阻兩端加一個5 mA的恒流電源，通過采集電壓來換算得到電阻值。在本設計中使用的是0-500歐姆電位器來模擬蓄電池電阻，蓄電池在充放電過程中電阻會有微弱的變化，隨時間變化電池阻抗也會發生變化。用電位器模擬，當調節電位器時，阻值的變化就會被采集顯示出來。此時，電流是恒定，電阻和電壓呈線性關系。電阻測量連線圖如圖5所示，電阻采集前面板如圖6所示。

在溫度采集系統中，前期采用激勵電流熱敏電阻測量，信號很微弱導致采集精度遠遠達不到要求。嘗試激勵電壓熱敏電阻測量，這種測量方式明顯較上一種有所改進，但結果精度還是達不到要求。采用熱電偶來進行替代測量，采用集成了調理電路的板卡，測得的結果還是波動較大。熱電偶實質輸出為微弱毫伏信號，可以按照接線圖直接將熱電偶換成微弱毫伏信號。所以本系統溫度采集微弱毫伏電壓信號來模擬熱電偶，經過板卡的信號調理和處理換算出溫度以達到采集溫度信息的目的。這種測量方式較先前的幾種都有了優化，雖然還是不能保證精度，不過可以大致模擬蓄電池的溫度采集。溫度采集接線圖如圖7所示，溫度采集前面板如圖8所示。

圖5 電阻采集接線圖

圖6 電阻采集前面板

4 其他功能設計

4.1 歷史數據保存

關于歷史數據的保存，采用 Measurement &Automation 的vi logger 記錄器。設置需要記錄的DAQ數據采集任務作為記錄任務，將采集的數據記錄下來并保存到Excel表格中。將電壓、阻抗、溫度數據采集的任務添加到vi logger記錄器的任務當中，以Excel形式將數據保存下來。

4.2 密碼保護

LabVIEW為了保護VI程序，在VI的屬性里面特意設置了VI保護，進行密碼保護，在沒有密碼的情況下不能對VI程序框圖和前面板做出任何更改，只能在運行模式下工作。

4.3 報警管理

在控制界面中還加入了報警設置，設置安全范圍，當電池電壓、阻抗、溫度變化超過設定閾值時就會觸發報警，并將報警信息記錄下來，點擊重置報警次數就會重新記錄。

圖7 溫度采集接線圖

圖8 溫度采集前面板

圖9 web發布

4.4 web發布

LabVIEW 自帶Web服務器可以通過Web網絡發布工具發布VI前面板圖。通過Web發布可以使遠程電腦查看VI，如圖9所示。

5 結論

本設計使用了虛擬儀器實現了對蓄電池參數的模擬的數據采集。開發蓄電池參數監控畫面，實現數據采集、顯示和保存。由于條件所限，結合 Measurement & Automation 與 NI PCI-6221 進行了電壓、阻抗、溫度的采集，雖不是真實蓄電池的各項參數，但以替代品測量，其原理和實質是一樣的。