引言
近年來，蓄電池在民用和工業生產中應用越來越廣泛。為保障系統持續穩定運行，研究與設計高效廉價、準確方便和快捷實用的蓄電池檢測裝置十分必要。蓄電池單體電壓較低，很少以其自然形態直接使用，大多采用串聯或串并聯組合的方式，同時，蓄電池的電量隨工作時間的延長和用電時間的增加會逐漸衰竭，很難保證組合中每個單體蓄電池工作特性一致。因此，必須采用合理的監控設備，通過在線實時檢測各單體蓄電池的充放電電壓、溫度和整個蓄電池組的充放電流及充放電電壓等參數，找出損壞或性能顯著降低的蓄電池，以保證直流電力系統穩定可靠。
因此，蓄電池組的檢測應該采取分散采集、集中監控的方式。一般的檢測采用RS-232或RS-485總線，由于其為主從方式總線，檢測終端無法主動向上位機發送數據。本蓄電池組智能巡檢儀通過非主從方式的CAN總線作為蓄電池組的分步式巡回采集總線，使得檢測系統具有高可靠性、可擴充性和實時性等優點，更加適合于蓄電池組的檢測與維護。
1 巡檢儀總體設計及工作原理
1.1 CAN總線介紹
CAN(Controller Area Network)總線是由德國BOSH公司在1986年為汽車的監測和控制系統設計一款串行通信網絡[2]。CAN總線可以為多主方式工作，不分主從，可以點對點、點對多點及全局廣播方式傳送和接收數據，且具有非破壞性總線仲裁技術；以5bit／s速率，通信距離最大可達10 km，傳輸介質可用雙絞線、同軸電纜或光纖；CAN總線采用短幀結構，每幀8字節，保證了數據出錯率極低，被公認為是最有發展前途的現場總線之一。
1．2 巡檢儀總體設計
單體檢測單元分別檢測蓄電池組的24節單體電池的電壓和電流，各個檢測單元的硬件結構十分相似，同時還有一個單獨的檢測單元用來檢測蓄電池組整體的電壓和電流。檢測單元實時監測并向CAN總線發送數據，上位機接收各個檢測單元的數據，并對數據進行分析、處理、存儲、顯示和打印，同時對單體電池的故障進行診斷和報警。
1．3 單體蓄電池檢測單元的設計
單體蓄電池電壓檢測的功能是實現對單體電池電壓和溫度的檢測和網絡傳輸。該單元由電壓信號變換、單片機系統、CAN總線接口和電源組成。該單元是基于CAN通信的電壓檢測模塊，檢測到的電壓模擬信號經處理并數字化后，通過CAN總線傳輸給控制管理單元。
檢測終端采集到蓄電池單體電壓和溫度信號后，進行放大、濾波、A／D轉換和隔離，送入單片機，單片機將通過CAN總線與上位機進行數據通信。其中，檢測電路采用串行接口的12位A／D轉換器ADS7841P，采樣周期小于20 ms，通過光電隔離與單片機連接。單片機采用低功耗、小體積8位單片機LPC932。該單元用LED(發光二極管)指示工作狀態。通過帶有串行接口的CAN控制器與單片機連接，CAN總線用于向上位機傳輸檢測數據。單元內的隔離電源采用小型DC／DC模塊電源。
1．4 檢測系統的工作原理
各檢測單元將檢測到的電流、電壓和溫度數據按CAN總線規范存儲到CAN緩沖區，并啟動發送命令將數據發送到CAN總線上，這些數據通過CAN總線向上位機進行發送。上位機的CAN控制器將接收到的數據存儲在緩沖器中，向上位機發送中斷請求，若上位機響應中斷，則接收這些數據并進行處理，將其轉化成電壓、電流和溫度信號顯示出來，并對這些信號進行分析和診斷，若發現異常情況，則發出警告信息。
2 單體檢測單元節點電路的設計
2．1 溫度采集電路
蓄電池的溫度在很大程度上影響著其工作性能，所以有必要采集蓄電池的溫度信息。系統對蓄電池溫度進行循環檢測，采集數據后，經放大、濾波和A／D轉換并送到單片機，然后發送到CAN總線上。其中運算放大器A1提供一個恒壓，電阻R3、R4、R6和熱敏電阻R5組成一個橋路，經運算放大器A2后差分輸出。
2．2 電壓采集電路
系統采集單體蓄電池的電壓是相對電壓，為了保證電壓檢測的準確性和不影響系統的工作，采用光電隔離器進行隔離，經運算放大器后輸入單片機。
電壓采樣電路采用線性光耦隔離芯片HCNR201，它是一種性價比較高的模擬光電隔離器，由一個高性能的AlGas LED和兩個特性十分相近的光敏二極管PD1和PD2組成。輸入光敏二極管PD1用來檢測并穩定LED輸出光的強度，它能夠很好地抑制LED輸出光的漂移，改善其線性度；輸出光敏二極管PD2用來產生一個正比于LED光強度的光電流。由于兩個二極管特性相近且封裝在一個集成芯片內，因此當LED發光時，PD1和PD2接收到LED光的數量成比例，且不受外部雜散光的干擾，所以具有很好的增益穩定性和優良的線性度。
輸入電壓變化轉化為電流變化，其內部呈現如下線性關系：
由組成的反饋回路可以得到輸入電壓與輸出電壓之間的線性關系為：
電流采樣電路與電壓采樣電路結構類似，只是將電壓信號通過電阻轉化為電流信號后進行采集，本文不再贅述。
2．3 單片機與CAN總線連接電路
本系統的單片機選用增強型51單片機LPC932，LPC932通過SPI總線與CAN控制器MCP2510連接，經過高速光電隔離器6N137后連到CAN收發器82C250上，82C250連接在CAN總線上，實行差分發送和接收。
3 通信軟件的編制
系統軟件包含自檢程序、數顯程序、濾波處理程序和通信程序等，其中通信程序是軟件設計的核心和關鍵，通信程序主要由初始化程序、發送程序和接收程序3部分構成。
3.1 初始化程序
初始化程序包括單片機LPC932各口的狀態初始設置、堆棧的初始設置、定時器的設置、存儲器的初始化、中斷的初始化、串口的初始化和CAN控制器初始化狀態的設置等，通過對CAN控制器控制段中的寄存器寫入控制字，從而確定CAN控制器的工作方式，本系統采用的CAN控制器為MCP2510，在系統復位模式下，單片機LPC932要對MCP2510完成寄存器操作，寫接收代碼寄存器與接收屏蔽寄存器，確定節點要接受的信息ID；寫總線定時寄存器，確定總線通信波特率；寫輸出控制寄存器，選擇正常輸出控制模式。
3.2 發送程序
數據從MCP2510發送到CAN總線是由其自動完成的。LPC932發送的過程是：
a）編輯所發送信息的標識ID，然而將幀信息存入外部數據存儲器之中。
b）LPC932開始查詢CAN控制器的狀態寄存器的傳輸緩沖區狀態標志位，若為0，則將信息寫入MCP2510的發送緩沖區之中，然后，置命令寄存器TC位為1，發送該信息。
3.3 接收程序
CAN控制器自動完成信息從CAN總線到CAN接收緩沖區的傳遞，LPC932接收程序只需從接收緩沖區讀取要接收的信息即可。MCP2510每成功地接受1幀信息，就把該信息存入內部的FIFO中，并產生接收中斷。LPC932響應中斷后，將FIFO內的信息讀入外部RAM中，然而再釋放該信息所占用的MCP2510緩沖區。
4 結束語
本文介紹了一種基于CAN總線的分布式智能蓄電池巡檢儀。該系統實時性好、檢測精度高、易于擴展、抗干擾性好、適用性強。同時，為了更好地對蓄電池的過充電和過放電進行保護，可在系統中增加溫度補償電路，隨著蓄電池應用的不斷廣泛，蓄電池組的檢測與維護技術將是電力電子技術研究的一個熱點，基于CAN總線的分布式蓄電池檢測系統具有十分明顯的優點和實際應用價值。
