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1、目 录中文摘要1英文摘要21 前言31.1 研究课题的背景及意义31.2 锂电池化成电源监控系统的发展现状31.3 本论文的主要工作和论文结构52 监控系统的总体方案设计62.1 锂电池化成的概念62.2 监控系统的主要功能72.3 监控系统总体方案设计83 监控系统硬件电路设计123.1 主电路的简单介绍123.2 采样电路设计143.3 485通讯电路设计194 下位机监控系统设计214.1 下位机监控系统的功能描述214.2 电池单元与液晶的通讯224.3 MCGS嵌入式组态软件简介244.4 基于MCGS组态软件的液晶监控界面设计254.5 基于MCGS的组态过程和脚本驱动的开发325
2、 上位机监控系统设计345.1 上位机监控系统架构图345.2 上位机监控系统的功能描述345.3 上位机监控系统的组网通讯365.4 LabVIEW概述375.5 基于LabVIEW的上位机界面设计38结论44谢辞45参考文献46锂电池化成电源监控系统设计摘 要：目前，随着电池工业的迅速发展，对电池产业化批量生产的能力及电池的产品质量提出了更高的要求，电池化成监控设备的性能优劣直接关系到电源工作的技术指标及能否安全可靠地工作。将多个独立的充电系统连成网络，就可以完成对大批量的锂电池化成的监控。因此，在锂电池生产过程中，数字化、智能化、网络化的监控系统尤为重要。本论文基于两种界面开发软件，分别
3、设计上位机和下位机的监控界面。不仅可以实现场地的实时监控，还能通过网络远程监控，符合现代化监控系统的发展方向。在熟知监控系统功能的前提下，提出了系统的总体设计方案，分别给出系统硬件和软件设计方案；论文主要对采样电路和485通讯电路进行设计，并在MCGS组态开发环境中，设计出液晶监控界面，并且还会重点讨论脚本程序的开发。论文还详细给出了上位机监控系统的设计方案，并利用LabVIEW设计上位机的监控界面。关键词：锂电池；监控系统；液晶；上位机；界面Monitoring System of Lithium Battery Power SupplyAbstract：Now, with the rapi
4、d development of industrial batteries, the capacity of industrial mass production and the product quality of the battery has been proposed higher requirements.The performance of monitor system of lithium battery power supply is directly related to the the technical specifications of the power and ab
5、ility to work safely and reliably. Connecting The multiple independent charging system into the network, can be completed on large quantities of lithium batteries into the monitor. Therefore, in the lithium battery production processing, digital, intelligent, network-based monitoring system is parti
6、cularly importantThis paper is based on two interface development software, and upper and lower machine monitoring interface will be designed. Not only can achieve real-time monitoring sites, but also through remote monitoring network, which is complied with the direction of development of modern su
7、rveillance systems. In the well-known monitoring systems function under the premise, the overall system design will be put forward, and system hardware and software design solutions will also be given. Paper mainly design sampling circuit and 485 communication circuit, ang will design LCD monitor in
8、terface under the MCGS configuration development environment. And we will also focus on the development of scripts. The paper also gives a detailed PC monitoring system design, and design PC interface for monitoring by using LabVIEW.Keywords: lithium battery；monitor system；LCD；PC；interface1 前 言1.1 研
9、究课题的背景及意义 目前，随着电池工业的迅速发展，对电池产业化批量生产的能力及电池的产品质量提出了更高的要求，二次电池的充放电技术是与电池相伴而生的，与二次电池的发展和应用有着密切的关系。首先，一个性能可靠的电源是必不可少的，其次电池化成监控设备的性能优劣直接关系到化成的技术指标及能否安全可靠地工作，从而对电池的化成起着至关重要的作用。采用高进度、数字化、智能化的电源对电池进行充放电，是对电池化成检测设备提出的一个重要技术指标。 蓄电池作为一种性能可靠的化学电源，其应用价值与日俱增，已经在各个领域得到了广泛的应用。其中，锂电池作为一种环保的蓄电池，广泛得到采用，其工作电压高、体积小、质量轻、无
10、记忆效应、自放电小、循环寿命长等特点，广泛应用于电动汽车能源系统、航空航天电源系统、太阳能光伏电源系统，移动通信系统以及移动终端设备中。 在锂电池生产过程中，电池的化成工艺处理是其中的一个重要环节，锂电池的化成参数一般经过理论计算和反复试验而得到。大多数情况下，就按照这些参数进行化成，使锂电池达到最佳的储能状态，这就要求化成设备必须严格按照这些参数表进行工作，能为每个阶段提供稳定且恒定的充放电电压、电流。并且，我们需要实时监控电池的运行状态，当化成出现故障时需要及时报警，并且显示具体故障信息。一个电池需要一个充电电源，如果每个电源都需要单独的设立一个监控器去监控，那么将消耗大量的精力和物力，因
11、此将多个独立的充电系统连成网络，由一个液晶去控制，再将所有的液晶通过路由器和控制中心的PC机连接在一起，就可以完成对大批量的锂电池化成的监控。因此，在锂电池生产过程中，数字化、智能化、网络化的监控系统尤为重要。1.2 锂电池化成电源监控系统的发展现状1.2.1 虚拟仪器技术20世纪90年代的美国，诞生了一种基于计算机的仪器，称为虚拟仪器张兴.电力电子技术M.北京：科学出版社，2010.。所谓虚拟仪器，是以通用计算机为核心，根据用户对仪器的设计定义，用软件实现虚拟面板设计和测试功能的一种计算机仪器系统。用户可通过鼠标、键盘或触摸屏来操作虚拟面板，就如同使用一台专用的测量仪器一样，实现需要的测量测
12、试目的。计算机和仪器的结合有两种方式：一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器从功能上分为三部分，即1）信号采集与控制；2）数据分析和处理；3）测量结果的显示。“软件即仪器”在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出和调理，软件才是整个仪器系统的关键，使用者可以通过修改软件，方便的改变、增减仪器系统的规模与功能。LabVIEW虚拟仪器的软件选择有多
13、种，本论文选择LabVIEW设计虚拟仪器VI。网络化虚拟仪器网络技术和虚拟仪器技术相结合，将三大功能中的数据分析和处理、测量结果的显示放到计算机上用软件来实现。而信号的采集由测试点硬件实现，这样就利用网络将本地模式转化为远程模式。这也是本论文采取的方式。网络化虚拟仪器的结构模式：有三种，客户/服务器(C/S)模式；浏览器/服务器(B/S)模式；客户/服务器/浏览器(C/S/B)模式；本论文将选择第一种。1.2.2 锂电池化成电源监控系统的发展现状 1）就控制器这方面而言数字化：随着计算机技术的不断发展和科技的不断进步，采用单片机或DSP等微处理器控制的智能化成监控系统逐渐成为主流。微处理器可以
14、实现实时性要求非常高的数字控制算法，通过IO口发出开关控制信号，还可以将采集的数据保存并送至计算机保存。一些控制中所用到的参考值可以存储在微处理器的存储器中，并对电路进行实时监控。但由于微处理器的运算速度的限制，在许多情况下，这种微处理器辅助的电路控制系统仍旧要大量用到运算放大器等模拟控制元件。 2）就系统的通讯方式而言网络化：目前大部分的组网采用CAN总线或RS485总线的方式。RS485可以构成主从式结构系统，通信方式以主站轮询的方式进行，要对每个站点进行站点地址编码；CAN工作于多种方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且废除了传统的地
15、址编码，所以网络内的节点数比485总线的节点数要多的多；虽然这两种通信方式已经很成熟，但通信距离有限，不能适应未来远程化发展的需要，如果所有的设备能够按照TCP/IP协议连成网络，则我们可以借助互联网的优势，在任何一个地方来控制设备。3）就系统的结构模式而言智能化：网络化虚拟仪器的结构模式有三种，根据不同的要求选择不同的结构模式。客户/服务器(C/S)模式，多个客户端采集数据，用一个服务器充当数据库；浏览器/服务器(B/S)模式，客户端安装浏览器，通过直接访问远端地址，来实现检测。客户/服务器/浏览器(C/S/B)模式为前两者的结合。第一种对化成电源监控系统来说更现实。1.3 本论文的主要工作
16、和论文结构 本论文的研究对象是监控系统，目的是设计出一套锂电池化成电源监控系统。系统可以对多个设备进行监控，每个设备又是由两百多个电池单元构成。系统可以对每个设备的每个电池单元实时测控，显示化成过程中的运行参数，电压电流波形；可以对故障进行报警，显示故障信息；同时液晶和PC机的监控界面也是必不可少。本论文主要内容如下：1）在熟知监控系统功能的前提下，提出了系统的总体设计方案和系统的结构模式，分别给出系统硬件和软件设计方案。2）对监控系统的硬件电路进行设计，主要设计的是采样电路和485通讯电路。在理论的基础上，会结合实验对这两块电路的功能做进一步的讨论。3）介绍下位机监控系统的功能，并在MCGS
17、组态开发环境中，设计出液晶监控界面；并且还会重点讨论脚本程序的开发。4）给出上位机监控系统的设计方案，并利用LabVIEW设计上位机的监控界面。2 监控系统的总体方案设计2.1 锂电池化成的概念 每个锂电池从生产到出厂至少要进行三次充电和两次放电过程，这个过程叫做化成，化成是锂电池生产过程中的重要工序，在液态锂离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”( solid electrolyte interface) ,简称SEI 膜，SEI膜的好坏自接影响到电池的循环寿命、稳定性、自放电性、安全性等电化
18、学性能。锂电池化成的步骤：1) 恒流充电：电池以恒流充电至截止电压，充电时间T1（充电时间到T1结束恒流充电，进入恒压充电阶段）。2) 恒压充电：电池以恒压充电至截止电流，充电时间T2（充电时间到T2时结束恒压充电，进入搁置阶段）3) 搁置：充电结束后搁置时间T3，目的是在电极形成稳定的SEI模（“固体电解质界面膜”solid electrolyte interface,简称SEI 膜）。4) 恒流放电：电池以恒流放电至截止电压。然后进入下一个充放电循环直至化成结束孙江宏.Protel99电路设计与应用M.北京：电子工业出版社，2002.。锂电池化成的第一步恒流充电和第二步恒压充电如图2.1所
19、示图2.1 恒流恒压充电电流电压波形锂电池化成第四步恒流放电如图2.2所示图2.2 恒流放电电压电流波形由图2.1和图2.2可知，锂电池的化成不仅需要按照一定的化成步骤进行，还要按照规定的参数进行化成，如恒流充电到T1结束，这个T1对应的截止点是恒流充电截止电压，恒压充电到T2结束，这个T2对应的截止点是恒压充电截止电流。由锂电池本身的充放电特性曲线，可以得到恒流充电、恒压充电、搁置、恒流放电分别需要多少时间，也是由锂电池本身的特性曲线划定每个阶段的结束时间和起始时间，以此作为每个阶段开始和结束的依据。2.2 监控系统的主要功能 由上一节可知，锂电池化成过程需严格按照一定的步骤进行，且化成参数
20、包括各个环节的时间都有严格的要求，那么为了让锂电池按照给定的化成参数进行化成，监控系统必须发挥它的功能，那么结合锂电池具体的化成要求，监控系统的主要功能有：1）控制每个电池单元的启停，即下发开机、关机命令。2）控制每个电池单元的运行模式，以使其按照规定的步骤进行化成。3）设定几种运行模式下，电池单元所需要的参数；如恒流充电模式下，电池单元需要知道恒流充电电流是多少，充电截止电压是多少。4）设定保护值和PI调节器参数；如过压过流保护值、过热保护值，以及电流环、电压环PI调节器的参数值。5）故障报警的功能。监控系统不仅需要知道具体是哪个设备哪个单元出现故障，还需要显示具体故障信息是什么。6）运行参
21、数显示和运行曲线显示；每个设备每个电池单元都有各自的运行参数，包括蓄电池电压电流等，这些值，在我的监控系统中，必须可以实时观察到。7）以上功能均需要通讯，因此必须保证PC机和液晶、液晶和各个电池单元通讯正常。2.3 监控系统总体方案设计2.3.1 系统总体结构图本论文设计的监控系统由上位机监控系统和下位机监控系统构成，具体结构图见下图。图2.3 化成电源监控系统架构图下位机监控系统的控制中心为液晶，一台液晶和两百多个电池单元构成一个设备，由液晶监控这个设备中的所有电池单元，通过RS485通讯。上位机监控系统的控制中心为PC机，PC机监控各个设备，即监控各个设备的液晶，由网线和路由器组成局域网，
22、通过局域网传递数据胡江毅.反激变换器的应用研究D.南京：南京航空航天大学电气工程学院，2003.。图2.4 电能监控示意图图2.4为电能监控示意图。电网的交流电经过AC/DC电源转化为直流电，再经过双向DC/DC电源给电池充电，给电池充电的电能来自电网，电池放电的电能也可以回馈到电网；每个设备都可以工作在不同的工作模式，比如设备1工作在充电模式时，设备2可以工作在放电模式，这样设备1所消耗的电能一部分可以由设备2来提供，或者完全由设备2 提供，这种方式极大的降低了电能的损耗；在监控化成的过程中，化成设备从电网消耗的电能，或者给电网回馈了多少电能，都是可以检测到的。2.3.2 系统的结构模式选择
23、在上一章中，曾讨论过网络化虚拟仪器的结构模式有三种，但未具体讨论在锂电池化成电源中选择什么样的结构。在网络化的监控系统中，结合具体的化成要求和实际操作的可行性，这里选择客户/服务器(C/S)模式。PC机充当了数据库的角色。在化成过程中，PC机可以监控到每台设备的每个电池的运行状况，对每个电池都能启停控制。在设计的过程中，PC机可以做到不需要液晶，仍能监控所有的电池。液晶它和两百多个电池单元进行通讯，监控每个电池的运行状况，并且还要设计远程数据发布程序将采集到的数据写入远端服务器。液晶作为一台设备的控制中心，对它的要求是需要时可以脱离PC机的指令，独立的监控该设备中的所有电池的化成。正常情况下，
24、 PC机和液晶一起构成完整的监控系统；在本论文中，所采用的这种模式灵活性很大，无论是PC机还是液晶，都能独立的完成监控工作，在实际情况中可以应付各种情况的出现； 2.3.3 系统硬件设计方案 监控系统的硬件主要包括PC机、液晶、路由器、通讯连接线等，其实还包括充电电源主电路以外的所有控制电路，但过多的阐述对本论文来说太过累赘，因此论文中只会简单介绍单片机、采样电路、通讯电路这几个对监控系统至关重要的电路。下面，将从整个监控系统的最低层即电池单开始，给出硬件结构设计：1）电池单元的单片机选型本论文的主拓扑电路为有源箝位反激式双向DC-DC变换器，有四个管子，需要4路不同的PWM波，对电池单元6路
25、数据采样，通讯仅需配置一个使能IO口即可。因此这里选择美国Microchip公司推出的dspic33F系列单片机，这款单片机可以发6路独立的PWM波，有8路模拟输入端口；2）采样芯片和485芯片：采样电路的运放选择LM358，485芯片选择MAX3082； 3）液晶：选择北京昆仑通态的一款型号为TPC7062K的嵌入式触摸屏；这款触摸屏即可以连接PC机又可以连接单片机，且可以同时和PC机和单片机通讯； 4）液晶和单片机通讯连接线：选择常用的RS485总线； 5）PC机：普通的电脑即可；6）PC机和液晶通讯连接线：选择网线； 7）路由器：路由器型号根据具体设备数选择不同接口数目的路由器。2.3.
26、4 系统软件设计方案 1）单片机程序：采用MPLAB编程。锂电池化成电源的单片机程序内容较多，本论文不会具体阐述，但会穿插的讨论一些与监控密切相关的程序，像采样程序，采样到的数值需要上传给液晶，在单片机内部要经过修正系数的修正，这个修正系数是实验反复得到，并且是由液晶下发的。还有，单片机保护程序，需要知道最大电流、最大电压限幅值是多少，这些数值也是液晶下发的；另外，当电池单元出现某种故障时，也需要单片机进行判断，并将带有故障信息的16为故障码上传。 2）液晶界面：采用组态软件MCGS进行界面的设计。 3）PC机界面：采用LabVIEW设计。本章总结：本章最主要的工作就三块，一是介绍了监控系统的
27、主要功能。二就是给出大体的设计方案，最主要的就是系统架构图，后面讨论的内容都是围绕这个图展开的。三是选择了一种非常灵活的结构模式，对液晶和PC机提出了很高的要求，在此，上位机监控系统和下位机监控系统便有了明确的设计方向。3 监控系统硬件电路设计监控系统的硬件除了PC机、液晶、路由器、通讯连接线等，其实还包括充电电源主电路以外的所有控制电路，但对这部分过多的阐述对本论文来说太过累赘。因此，在这一章，只对其中两个与监控十分密切的硬件电路进行设计，主要是采样电路和485通讯电路。同时，本章还会结合单片机对硬件电路的控制和对数据的处理，来阐述液晶是如何对电池单元实现通讯和监控的。在介绍本章重点内容之前
28、，先对电池单元采用的主拓扑电路做个简单介绍。3.1 主电路的简单介绍图3.1 有源嵌位反激式双向变换器原理图本论文各个电池单元所采用的主拓扑电路是有源箝位反激式双向DC-DC变换器，其原理图如图3.1所示，在常规的反激式双向DC-DC变换器基础上，隔离变换器两侧均引入有源箝位辅助电路成晶晶.双向反激变换器的研究D.杭州：浙江大学电气工程学院，2010.，那么可以将有源箝位反激式双向DC-DC变换器的特点概括如下几点：1）Vg为直流侧电压，Vb为电池电压；2）S1和S2为主功率管，S3和S4为有源箝位辅助功率管；3）L1由变压器漏感和外加串联小电感组成，帮助实现零电压开关；4）大电容Cc1和Cc
29、2电压不变，小电容C1和C2减缓开关管关断时的电压上率；5）主管S1和S2驱动信号互补。S1和S4同时关断，S2和S3同时关断；6）改变驱动脉宽，可调节两端功率传输大小和方向赵永健.基于AVR的蓄电池化成监控系统的研究和设计D.保定：河北大学电气工程学院，2009.。 下面通过介绍电池单元的主电路图和选用的单片机结构图来了解从哪些采样点采样数据，然后进单片机的哪些引脚，以及单片机和485通讯的引脚分配：1）电池单元的主电路图3.2 主电路图图3.2为有源箝位反激式双向DC-DC变换器主电路图，左侧为电池侧，需要采样蓄电池的电压和电流、蓄电池测的主Mos管（Q4）电流；右侧为直流侧，需要采样直流
30、侧的电压和电流、直流侧的主Mos管（Q3）电流。2）电池单元选用的单片机从主电路采样到的数据要送到单片机处理，图3.3为本论文所采用的dspic33F系列单片机，2脚到7脚分别对应需要采样的6路数据，16脚到18脚分别和485通讯电路的发送、使能、接收引脚相连。图3.3 单片机结构图3.2 采样电路设计本节先对采样硬件电路进行设计，然后计算电路的理论变比，再和实验得到的结果进行比较，最后介绍修正系数张雪圆.用于电池化成设备的双向DC/DC变换器的研究D.北京：北京交通大学电气工程学院，2011.的作用。3.2.1 采样硬件电路设计 首先我们需要知道，对监控系统而言，需要显示电池单元的哪些数据，
31、才能根据需要对这些数据进行采集。 对于一个锂电池单元，我们需要采集的数据有：蓄电池电压、蓄电池电流、蓄电池测主Mos管电流、直流侧电压、直流侧电流、直流侧主Mos管电流。下图便是这些数据的采样电路图3.4 电池电压采样电路、电池电流采样电路 图3.5 直流侧电压采样电路、直流侧电流采样电路图3.6 蓄电池侧MOS管电流采样图3.7 直流侧MOS管电流采样注：1）采样电路用了4个运放，U2、U3、U4、U5；2）U2采样电池的电压电流；U5内两个运放级联采样电池测主Mos管的电流；3）U3采样直流侧电压电流；U9内两个运放级联采样直流侧主Mos管的电流；4）二极管上有0.2V的压降；5）蓄电池测
32、电流采样电阻为，直流侧为；3.2.2采样电路的理论变比：1）电池电压采样：Ubattery_ADC=0.5*Ubattery电池电压Ubattery范围为0-3.2V；Ubattery_ADC最大值为3.3V2）电池电流采样：U7=20*(Ibattery2- Ibattery1)=20*Ibattery=0.2 IbatteryIbattery_ADC=(U7+3.3V)说明：U7为运放7脚电压3）直流侧电压采样：Udclink_ADC=Udclink Udclink_ADC=1/61Udclink直流侧电压Udclink为100V4）直流侧电流采样： U1=(Idcl ink1- Idcl
33、ink2)=5.1*Idclink=3.06IdclinkIdclink_ADC=(U1+3.3V)说明：U1为运放1脚电压5）Mos管1电流采样：iQ1_ADC=CT1=21CT1=0.21Imos16）Mos管2电流采样：iQ2_ADC=CT1=6.1CT1=0.061Imos23.2.3 采样电路实验变比1）电池电压采样：表3.1 电池电压采样实验结果UbatteryUbattery_ADC变比4V2.04V0.512V1.05V0.525结论：,基本满足变比。2）电池电流采样：表3.2 电池电流采样实验结果Ibattery2Ibattery1Ibattery_ADCU7变比100mV0
34、mV2.63V1.84V18.4结论：，基本满足变比。3）直流侧电压采样：表3.3 直流侧电压采样实验结果UdclinkUdclink_ADC变比4.08V69mV1/59.132.08V36mV1/57.78结论：平均值为58.46，基本满足变比。4）直流侧电流采样：表3.4 直流侧电流采样实验结果Idclink1Idclink2Id_ADCU1变比300mV0mV2.62V1.85V6.17结论：，基本满足变比。5）Mos管1电流采样：表3.5 Mos管1电流采样实验结果CT1iQ1_ADCU1变比50mV2.24V1.04V20.8-50mV1.21V-1.01V20.2结论：，基本满足
35、变比6）Mos管2电流采样：表3.6 Mos管2电流采样实验结果CT2iQ2_ADCU1变比100mV2.04V624mV6.24-100mV1.44V-565mV5.65结论：，基本满足变比表3.7 理论变比和实验变比对比理论变比（采样电路输出/输入）实验结果电池电压0.50.51电池电流2018.4直流侧电压1/611/58.46直流侧电流5.16.17Mos管12120.08Mos管26.16.24 由表中数据可知，所要采样的六组数据，其采样电路的理论变比和实际变比基本符合。3.2.4 修正系数 由表中的数据，我们可以看出，采样电路的理论变比和实际变比仍然存在着偏差，其中不乏测量产生的误
36、差，但为了使采样到的数据尽可能不失真的上传到液晶，单片机会对采样到的数据进行修正。修正系数便由此而来，这里需要说明的是修正系数是通过实验得到，然后由液晶下发的。单片机10位ADC采样，采样到的数在单片机中都会转化成01023之间的数（16进制），即0-3.3V对应0-1023，举个例子；例：Ubattery=2V（在采样上施加的信号），Ubattery_ADC=1V，对应到单片机的值为310，再减去零点值0。（310-0）*修正系数/1000=200 ,即2V到单片机中上传给液晶的数必须是200，这是个修正的过程。这里需要做下说明，采样到的值可能会是浮点数，必须转化为16进制才能上传给液晶，所
37、以在上传之前会乘以100，液晶接收到数据再除以100将其还原。下表是通过反复实验得到的各个采样值的修正系数。表3.8 修正系数蓄电池电压修正系数665蓄电池电流修正系数3690蓄电池测Mos管电流修正系数3200直流电压修正系数2030直流电流修正系数190直流侧Mos管电流修正系数195修正系数得到之后，还要通过保护程序进行验证，这里就不赘述了。3.3 485通讯电路设计3.3.1 485通讯硬件电路设计 485通讯电路在监控系统中的作用是十分重要的，无论是电池单元上传数据还是液晶下发数据，都必须经过485，下图为485通讯电路。图3.8 485通讯电路1脚和4脚分别连接单片机的接收和发送引
38、脚，6脚和7脚与液晶相连。其使能端EN由单片机IO口的输出电平控制。3.3.2 485在监控系统中的作用本论文中，液晶和单片机通讯选用RS485总线通讯，不用RS232的原因是，液晶需要和多个电池单元通讯， RS232只能点对点通讯，而RS485可以连成网络通讯徐旭.基于DSPic通信电源模块数字控制研究D.西安：西安交通大学电气工程学院，2008.。RS485一般工作在半双工的方式，任一时刻主从只能一个发。RS485联网通讯存在一个容量的问题，容量的大小限制了每个设备中充电单元的数目；RS485总线一般最多可连接256个节点，本论文中一个设备连接256个电池单元。液晶的采集脚本每隔一段时间都
39、要向单片机要数据，所以EN的初始状态一直处于低电平，即485一直处于接收状态，当单片机接收到液晶索要数据的数据包时，将使能端EN置1，使能485的发送，同时会存下这段数据，判断液晶要的是什么数据，并将这个数据存入发送缓冲区，485会将数据发送出去，同时使能端EN回零。锂电池化成单元的运行数据就是按照这种方式上传到液晶的，同样，液晶需要下发一些系统参数也是按照这种方式进行通讯的。本章总结： 对于监控系统来说，采样是十分重要的，数据从电池单元一直到液晶显示是如何传递的，它在传递过程中发生了哪些变化,都是需要了解的。在485引脚配置的过程中，给使能端EN配置IO口，是十分重要的，必须将该IO口配置为
40、输出。4 下位机监控系统设计 由前面几章的讨论，我们知道了锂电池化成电源监控系统的结构由上位机监控系统和下位机监控系统构成。液晶作为下位机监控系统的控制中心，承担了监控两百个电池单元的重要责任。本论文的液晶显示界面采用组态软件MCGS的嵌入版进行设计，通讯采用最常用的RS485。那么如何实现液晶的监控功能，以及如何完成液晶和一个设备中两百个电池的通讯，都是本章要讨论的内容。4.1下位机监控系统的功能描述 一个锂电池化成电源设备由两百个电池单元和一块液晶构成，如图所示；液晶作为下位机监控系统的控制中心，控制着整个设备中所有的电池单元的工作。图4.1 下位机监控系统架构图那么液晶的主要功能有：1）
41、设备单元启停控制；2）运行参数显示；如输入直流电压、输入直流电流、蓄电池电压、充电电流、工作状态(充电、放电、搁置)等；3）参数设定。包括调试参数(工作模式选择、PI调节器、充放电电压电流值、过压过流保护值、过热保护值等)，以及电压电流修正系数；4）充电曲线显示；5）故障报警。显示具体单元及故障类别； 锂电池化成电源的主要工作模式有四种，即恒流充电模式、恒压充电模式、恒流放电模式、智能循环充放电模式郑财晖.单体锂离子电池化成设备的研究D.北京：北京交通大学电气工程院，2008.。在这四种工作模式下，电池单元需要按照不同的参数去化成，所以液晶不仅能够控制各个电池单元的化成模式，还要在不同的工作情
42、况中下发不同的化成参数。下表显示了对液晶的具体要求。表4.1 锂电池化成模式表序号功能说明1恒流充电恒流充电须设置充电截止电压值和恒流充电电流值。2恒压充电恒压充电须设置恒压充电电压值和充电截止电流值。3恒流放电放电采用恒流放电方式，须设置恒流放电电流值和放电截止电压值。4智能循环充放电智能充放电是指充电、搁置、放电三个步骤由主控芯片自动控制完成。使用时须设置好恒压充电、恒流充电、放电相关参数，此外还需设置搁置时间和循环充放电次数。4.2电池单元与液晶的通讯4.2.1 电池单元与液晶的通讯方式电池单元和液晶的通讯需要遵守一定的通讯协议，并且它们之间传递的数据也遵守一定的格式，下面通过几点说明来
43、解释液晶和电池单元之间的通讯格式： 1）液晶和电池单元之间传递的数据分成三种：运行参数；系统参数；开关机命令。系统参数又分成调试系数和修正系数。2）液晶不处理数据：液晶直接显示上传的运行参数，直接下传系统参数（包括调试参数、修正系数），不储存数据；单片机进行数据处理（修正）。3）传递的数据有一定的格式：或图4.2 液晶和单片机传递的数据格式图4）站点号识别具体电池单元命令码区分是否需要存储数据（0x11H只显示，0x50H存储数据）序列号具体变量名称 总结：结合以上几点说明，可以发现，液晶需要要显示运行数据时，就发包头为04H、命令码为0x11H的数据包；单片机回包头06H、对应运行数据的高低
44、字节的数据包；同样，下发系统参数或开关机命令，就下发包头为06H的数据包；单片机收到数据，同样要回包头为04H的数据包。 另外，还有两点需要说明；1）由单片机上传给液晶的数据，或者是液晶下发的数据，有小数存在的可能性，所以在传递时都需要乘以100，接收到之后再除以100还原。2）16位故障码的每一位分别代表一种故障，如0x0010表示蓄电池侧电压过压。具体哪一位代表何种故障，可以查看通讯协议。4.2.2 RS485总线通讯的特点1）联网通讯：RS232接口可以实现点对点通讯，但这种方式不能实现联网通讯，所以本论文使用RS485接口；采用一条双绞线电缆作为总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节
45、点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低高东.基于LabVIEW的铅酸蓄电池监测系统的开发D.大连：大连理工大学电气工程学院，2007.。2）总线容量：RS485接口组成的半双工网络，一般是两线制，任一时刻主从只能一个发；电池单元的站地址采样8为二进制数进行编码，通讯方式以主机轮询的方式进行，液晶作为该网络中的唯一一台主机（只允许存在一个主设备），最多可同时连接256个从机，即256个电池单元。3）传输速率：RS485接口的最大传输速率可达10Mb/s，传输速率越大，传输距离反而越小，因此并不是速率越快越好。本论文中，电池单元选用的单片机为dispic33F16GS
46、402,其UxTX和UxRX引脚配置成全双工8位数据传输何银吉.基于DSP的蓄电池化成检测电源控制的研究D.哈尔滨：哈尔滨理工大学电气工程学院，2006.，波特率设置成9600Baud，信息传输速率即比特率为9600*8=76800b/s。因此总线上的传输速率为76800b/s。4.3 MCGS嵌入式组态软件简介MCGS专门应用于嵌入式计算机监控系统的组态软件，MCGS嵌入式包括组态环境和运行环境两部分。它的组态环境即开发一个MCGS实际的应用系统所需要的环境可以在Microsoft的各种32位Windows平台上运行。运行环境即液晶的操作系统是WindowsCE。应用MCGS嵌入式组态软件开发出来的应用系统适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专门计算机系统。通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。此外MCGS嵌入式还带有一个模拟运行环境，用于对组态后的工程进行模拟测试，方便用户对组态过程的调试。4.3.1 MCGS嵌入式组态软件的体系结构MCGS嵌入式体系结构分为组态环境、模拟运行环境和运
