基于ARM9与LEM传感器的蓄电池在线监测硬件平台

1 概述

蓄电池作为备用电源在供电系统中往往起着极其重要的作用，在交流电失电或其它事故状态下蓄电池组一旦出现问题，供电系统将面临瘫痪，造成设备停运及其它重大运行事故。近年随着阀控式密封铅酸蓄电池(以下简称阀控蓄电池)的广泛使用，加之使用环境及条件欠佳，因蓄电池提前失效而引发的事故时有发生。阀控蓄电池由于特殊的阀控式密封结构，使得我们无法准确掌握蓄电池的健康状况，其"免维护"的这一优点，反而成为电池运行管理中的缺点和难点，同时极其容易误导用户。在提高电池性能、减少维护工作量的同时，如何快捷有效地检测出早期失效电池并预测蓄电池性能变化趋势，已成为电池运行管理的新课题。目前除了核对性放电、电压巡检等常规维护检测手段外，随着技术的发展一些新的检测手段孕育而生，蓄电池在线监测这一新检测技术开始逐步得到运用[1]。

北京莱姆电子是瑞士莱姆集团(LEM)的全资子公司，由瑞士研发、北京生产的Sentinel模块是专门为应用于蓄电池在线监测而量身定做的蓄电池传感器。该传感器只有火柴盒大小，每只模块监测一块蓄电池，模块采用四线制设计，通过与蓄电池的正负极相连实现供电和测量，然后通过RJ11接口(电话线接口)实现至多达254个模块的相连，经由开放的串口协议通讯实现对整个蓄电池组的监测。该传感器可以直接测量单体蓄电池的阻抗、电压和表面温度(模块贴在电池表面)，连线、安装方便，同时模块的质保期为五年，完全跨越蓄电池的失效周期，因此，非常便于构建蓄电池在线监测系统。

2 蓄电池在线监测硬件平台的构成

蓄电池在线监测系统一方面需要完成在工业现场，如变电站、数据中心等场合蓄电池参数的人机交互，方便用户在现场观测蓄电池组整体电压、电流以及各单体电池的阻抗、电压和温度;另一方面需要提供网络接口，使用户在远端如中央控制室，能够及时了解现场的情况;最后需增加GSM接口，一旦发生故障，可以用发短信或者打电话的方式通知到值班人员。因此，有必要设计一台现场监测主机完成以上功能，与Sentinel模块相匹配，实现整个蓄电池在线监测系统的构建，如图1所示。

图1 在线监测硬件平台的构成

对在线监测硬件平台有以下值得说明的地方。

(1)由图1可见，鉴于sentinel模块的独特设计，可以直接对蓄电池阻抗进行测试，因此，系统毋须安装单独的放电模块。

(2)由于sentinel模块需要通过地址来识别，该地址是8位，以上连接最多实现254块蓄电池的连接。

(3)理论上图中用虚线指示的Sbus通讯线是不需要连接的，但是考虑到工业现场的复杂性，如两模块之间的通讯线一旦被破坏，则某些模块将不在线路中。因此，出于冗余设计的考虑，在现场允许的情况下，尽量布置该线缆。

(4)图中的电流变送器一般用于主机测量充放电电流，感知蓄电池的状态，是非常必要的。考虑现场施工方便，尽量使用外置的电流变送器，而不将该变送器布置在主机内，否则电池充放电线缆(往往是很粗的线缆)需要绕经主机，不经济也不安全。

(5)使用GSM天线的时候，要实地测量当地的信号强度，某些机房信号屏蔽严重，此时可以考虑将天线移到室外，以实现信号的通畅发送。

由以上的分析可知，对现场监控提出的要求至少带有人机交互功能、网络功能、GSM发射功能、Sbus总线通讯的功能以及A/D转换接口。


3 基于ARM9的蓄电池在线监测主机

主机实质上是一个带有人机交互界面的嵌入式系统。为了完成嵌入式平台的构建，方便实现网络协议的通讯，拟采用ARM9+操作系统的方式。考虑到工业级的工作温度以及方便带液晶接口，选择ATMEL公司的AT91SAM9261作为系统的主控CPU。

为了调试方便采用核心板+扩展板的方式，核心板上布置一个ARM9的最小系统，将所有接口皆引出，而功能部分则布置在扩展板上。

3.1 核心板部分设计

核心板的设计框图如图2所示。

图2 核心板的设计框图

对于核心板设计框图需要做以下说明：

(1)由于AT91SAM9261采用Dataflash的启动的方式，只能工作在温度高于0℃和低于70℃的范围，一旦温度低于0℃将无法启动。为了解决这个问题，只能使ARM采用外部启动即NOR FLASH启动的方式，因此，需要选择启动模式为外部启动(BMS=0)，以达到工业现场的温度要求。

(2)Norflash存储器芯片选择AMD公司的AM29LV160DB，其容量为4M*16bit 。用于存储BOOT程序，小型操作系统及小型应用程序。设计时采用字对齐方式，即芯片的A0地址线对应ARM芯片的A1地址线。另外，由于ATMEL官方提供的SAM-BA烧写程序，仅支持Dataflash和Nandflash，因此，有必要修改SAM-BA的脚本文件以实现对Norfl