摘? 要: 介紹了一種基于CAN-bus的分布式數據采集系統,并將其應用于蓄電池參數自動監測系統中。該系統以AnyCAN嵌入式模塊為核心,采用CAN-bus通訊方式,以嵌入式μCOSII實時操作系統為軟件平臺。
關鍵詞: AnyCAN模塊;嵌入式系統;驅動程序
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蓄電池參數自動監測在蓄電池使用中起著非常重要的作用,多種多樣的監測儀器設備代替了大量的人工監測手段,為監測蓄電池組的參數提供了有力的技術保障。本文將對應用于蓄電池參數自動監測系統中的分布式數據采集器和CAN總線通訊的設計方案進行深入的探討。
1 硬件系統設計
1.1 現場采集器
本系統硬件部分采用了AnyCAN一體化嵌入式CAN模塊作為核心器件。該模塊包含了CAN-bus數據采集節點的全部器件,模塊用金屬外殼整體灌封,有很好的抗干擾性能指標,模塊資源包含有A/D轉換器、IO端口等,現場采集器功能框圖如圖1所示,采集器需要采集蓄電池的電壓、溫度和液位信息,直接安裝在單節蓄電池上,使用蓄電池自身供電。
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1.2 實際網絡構建和設備選型
蓄電池參數采集系統中CAN-bus網絡連接節點數量為480個左右,由于受到CAN-bus物理層驅動能力(小于110節點)以及應用協議規定的網絡容量(256節點)限制,在組網時需要把網絡劃分成若干個子網絡以滿足系統要求。網絡管理采用多通道CAN接口卡設備,每個通道管理一定數量的采集器,最終將數據匯總到統一的數據庫中。
在實際網絡中,選用2臺CANHub-AS4智能集線器把物理網絡分成8個獨立的物理子網,可以把網絡劃分成多個互相隔離的管理區域,同時增強網絡負載能力,比使用一個獨立網絡有更好的安全性和隔離性。采用PCI9820I雙通道 CAN接口卡管理整個網絡,如圖2所示。
數據采集網絡的整個工作過程是現場數據采集器通過A/D轉換器和數字端口采集各種傳感器的參數,進行數據的轉換后,以iCAN響應報文通信方式上傳到監控服務器。增加節點只需要將新的設備配置好參數并接入網絡即可。同時,數字化的網絡方案可方便實現與任何網絡互聯互通,例如加裝CAN-Ethnet轉換設備就可實現CAN-bus接入以太網,加裝CAN-GPRS轉換設備就能實現超遠程無線監控功能。
1.3 采集器外圍硬件電路
1.3.1 電源升壓電路
電池的供電電壓在1.8~2.5V之間,而元器件通常需要5V供電電壓,需要使用升壓器件把電壓升至5V。本設計中使用二級升壓設計,第一級升壓電路可從最低0.9V升壓至3.3V,使用SP6648設計第一級升壓電路,該芯片為同步升壓開關電源芯片,效率可達94%,輸出電流400mA,輸出紋波小。
第二級電路從3.3V升至5V,使用電荷泵升壓器件CAT3200。由于采用電荷泵升壓方式,輸出具有更小的紋波。電荷泵升壓電路輸出電流較小,實際設計中,使用了兩組相同電荷泵的升壓電路分別為核心模塊和外圍電路供電,以保證提供足夠的電源裕量并且數字電路和模擬電路之間有較好的信號隔離,如圖3所示。
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1.3.2 ADC基準源
為了給ADC轉換器提供穩定的基準源,使用ADI公司的ADR525作為基準源,該器件具有良好的溫度漂移特性,極低噪音。設計上配合運放電路設計成輸出2路基準電壓,其中一路2.5V為ADC基準值,另一路提供給溫度傳感器調理電路作為起始偏移電壓。
1.3.3 溫度傳感器信號調理
溫度傳感器使用LM35高精度線性溫度傳感器,在本項目中,需要測量溫度在10℃~50℃之間,精度可以達到0.25℃以上。LM35以10mV/℃輸出電壓,調理電路設計為4倍加法放大器兼濾波,得到40mV/℃的傳感器放大電壓輸出。起始偏電壓為運放的偏置靜態電壓,當傳感器輸出為零時,偏置電壓使運放起始輸出電壓為一個很小的起始電壓值,以減小運放接近零電壓的非線性放大失真,電路如圖4所示。
2 軟件設計
2.1 iCAN協議報文處理流程
圖5描述了iCAN節點對于數據請求報文的一般處理過程。一旦請求被處理完后,會產生一個iCAN響應報文。在報文處理時,主站設備根據對從站設備所需要的操作確定從站MAC ID、報文的功能碼、所要操作的資源節點及數據參數。
2.2 模塊軟件的工作流程
AnyCAN模塊程序基于?滋COSII嵌入式實時操作系統編寫,在?滋COSII系統的管理下,當CAN驅動任務收到主機的報文請求時,將報文接收后向iCAN協議解析任務發送信號量,解析任務將報文按照iCAN協議格式解析后判斷請求類型,例如判斷是讀取ADC數據,那么就向ADC任務發送采集ADC信號量,ADC采集任務收到信號后啟動運行將ADC值取出并回傳給iCAN協議解析任務,iCAN解析任務獲取ADC數據后將數據打包后交給CAN驅動任務響應主機的請求報文。
蓄電池參數自動檢測系統體積小巧,電池直流供電,功耗小。安裝在蓄電池檢查口處,適用于數量多的電池組。由于采用了AnyCAN嵌入式數據采集模塊,采集數據精度高,工作穩定,系統的工作模式和采集的數據的精度達到了設計要求,工作情況完全滿足了蓄電池參數的自動檢測需求。
參考文獻
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