基于FPGA的VRLA蓄電池測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA(Field Programmable GateArray)屬于ASIC產(chǎn)品，通過軟件編程對(duì)目標(biāo)器件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，能隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，具有集成度高、結(jié)構(gòu)靈活、開發(fā)周期短、快速可靠性高等特點(diǎn)，數(shù)字設(shè)采用FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程器件實(shí)現(xiàn)VRLA蓄電池測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜數(shù)據(jù)采集電路、USB數(shù)據(jù)通信接口、寄存器電路、越限報(bào)警電路等關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)，其中數(shù)據(jù)采集電路模塊用差動(dòng)式模擬開關(guān)電路替代雙刀式繼電器模擬開關(guān)。
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整體架構(gòu)利用了FPGA編程靈活、加密性好、設(shè)計(jì)制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，其固件開發(fā)的數(shù)據(jù)采集電路比常規(guī)采集卡穩(wěn)定性更高，系統(tǒng)運(yùn)行性能良好。
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1、 引言
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　　閥控式鉛酸蓄電池（VRLA）在實(shí)際使用中會(huì)出現(xiàn)電池殼變形、電解液滲漏、容量不足、電池端電壓不均勻等現(xiàn)象，實(shí)踐證明，整組電池的容量是以狀況最差的那塊電池的容量值為準(zhǔn)，而不是以平均值或額定值（初始值）為準(zhǔn)，當(dāng)電
　　池的實(shí)際容量下降到其本身額定容量的90% 以下時(shí)，電池便進(jìn)入衰退期，當(dāng)電池容量下降到原來的80%以下時(shí)，電池便進(jìn)入急劇的衰退狀況，衰退期很短，此時(shí)電池組已存在極大的事故隱患，所以對(duì)VRLA蓄電池的定時(shí)檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)是非常重要和必須的。

2、 硬件電路設(shè)計(jì)
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　　VRLA蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能是對(duì)直流電源VRLA蓄電池組中每一個(gè)VRLA蓄電池的端電壓進(jìn)行巡檢，其工作方式分為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定時(shí)監(jiān)測(cè)兩類，定時(shí)監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔由用戶根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，用戶可隨時(shí)切換實(shí)時(shí)與定時(shí)監(jiān)測(cè)兩種工作模式，通過監(jiān)視器顯示電壓、溫度、內(nèi)阻曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)及整體VRLA蓄電池的監(jiān)控操作?？赏瓿蓤D表打印，圖形保存，曲線顯示，歷史數(shù)據(jù)回放多種管理功能，并缺省設(shè)置越限報(bào)警電壓及溫度范圍限，如有異常情況立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
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2.1? 測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
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　　本例FPGA開發(fā)系統(tǒng)采用Xilinx FPGA控制模塊Spartan-II(XC2S200)、差動(dòng)式多路模擬開關(guān)（包括模擬開關(guān)CD4051及光耦合器TLP181）、A/D轉(zhuǎn)換AD0809芯片、Philips公司PDIUSBD12通用串行接口芯片、Winbond公司W(wǎng)29C020C并口Flash存儲(chǔ)器及SRAM W24257、2×4鍵盤陣列、越限報(bào)警器件等構(gòu)成。理想的VRLA蓄電池測(cè)試系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)VRLA蓄電池組內(nèi)單節(jié)VRLA蓄電池的電壓，內(nèi)阻和溫度能夠有效的識(shí)別單節(jié)VRLA蓄電池的性能差異和安全臨界點(diǎn)，有效控制單節(jié)VRLA蓄電池的過充，過放和熱失控，實(shí)現(xiàn)均衡放電和均衡充電的理想功能；同時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算出單個(gè)VRLA蓄電池電量，根據(jù)充放電曲線，建立最佳充放電方法，并與控制器智能化配合，確定VRLA蓄電池負(fù)載特性參數(shù)選擇，延長(zhǎng)VRLA蓄電池使用壽命。

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　　??????????????????????????????? 圖1 整機(jī)系統(tǒng)框圖

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2.2? 差動(dòng)式多路模擬開關(guān)設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)采用差動(dòng)式多路模擬開關(guān)可以避免常規(guī)雙刀式繼電器模擬開關(guān)對(duì)大型VRLA蓄電池組測(cè)量時(shí)需要的繼電器太多，儀器的體積過大，功耗、成本及故障率高等眾多缺點(diǎn)，如圖示差動(dòng)式模擬開關(guān)工作電源由所測(cè)VRLA蓄電池組提供，并采用光耦合器隔離采樣開關(guān)與低壓系統(tǒng)，以解決VRLA蓄電池組的電池?cái)?shù)目多，電壓高，難以測(cè)量等問題。

　　差動(dòng)式模擬開關(guān)工作過程為：FPGA控制器通過控制端CA，CB來同時(shí)控制U1，U2八選一模擬開關(guān)，如果控制端同時(shí)選中輸入端B1，則模擬開關(guān)U1輸出端OUT1輸出VRLA蓄電池B1的正端電壓，而模擬開關(guān)U2的輸出端OUT2輸出則是B1的負(fù)端電壓，如果將OUT2接到測(cè)量系統(tǒng)的地電平，OUT1接到測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)輸入端，則便可測(cè)得VRLA蓄電池B1的各項(xiàng)數(shù)據(jù)值。同理，只要控制CA，CB就可完成對(duì)B1～B4各個(gè)單體電池?cái)?shù)據(jù)的量測(cè)，繼而得出整組電池的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)。

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　????????????????????????????? 　圖2 差動(dòng)式模擬開關(guān)電路原理圖

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3、 軟件設(shè)計(jì)
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　　系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，底層固件程序由VHDL語言編程的若干子程序塊組成，包括主??? 控制程序，數(shù)據(jù)采集子程序，超限判斷及報(bào)警子程序，USB端點(diǎn)通信子程序，中斷處理子程序；上位機(jī)應(yīng)用程序在Visual Basic環(huán)境下開發(fā)，可完成圖表打印，圖 形保存，曲線顯示，歷史數(shù)據(jù)回放等管理功能。

3.1? 主控制程序
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　　用于完成FPGA及外部模塊的上電自檢和初始化，初始化flash存儲(chǔ)器，SRAM工作區(qū)，A/D轉(zhuǎn)換器及差動(dòng)模擬采樣通道設(shè)置、USB端口及周邊接口的上電復(fù)位。初始化將對(duì)初始狀態(tài)給予設(shè)定，包括定時(shí)器、中斷器的開放等。其中外部中斷用于響應(yīng)鍵盤信號(hào)及USB口中斷響應(yīng)與上位機(jī)通信等操作。
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3.2? USB控制端點(diǎn)中斷服務(wù)程序流程圖
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　　USB控制端點(diǎn)中斷服務(wù)程序功能是在USB通信口發(fā)出中斷響應(yīng)后把當(dāng)前選定的單節(jié)蓄電池的電壓、溫度等數(shù)據(jù)存入相應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)，為系統(tǒng)顯示、報(bào)警、通信等功能提供原始數(shù)據(jù)，之后根據(jù)用戶設(shè)置的蓄電池組數(shù)、每組蓄電池節(jié)數(shù)及設(shè)定電壓、溫度值，將原始數(shù)據(jù)作相應(yīng)修正即可在上位機(jī)應(yīng)用程序處顯示每組蓄電池的單節(jié)電池電壓及整體蓄電池的電壓、溫度、內(nèi)阻曲線。

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　　???????????????????????? 圖3 USB控制端點(diǎn)中斷服務(wù)程序流程圖
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3.3? USB控制端點(diǎn)通信建立初始化程序
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　　參考Philips公司PDIUSBD12數(shù)據(jù)手冊(cè)，PDIUSBD12的命令字分為三種：初始化命令字、數(shù)據(jù)流命令字和通用命令字，F(xiàn)PGA先給PDIUSBD12的命令地址發(fā)命令，根據(jù)不同命令的要求再發(fā)送或讀出不同的數(shù)據(jù)。因此，可以將每種命令做成函數(shù)，用函數(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)命令，以后直接調(diào)用相關(guān)函數(shù)即可。FPGA內(nèi)部USB控制端點(diǎn)與PDIUSBD12通信初始化程序清單：

??? constant D12_CONNECT_DATA: REG8x8:=???????????????? //配置命令和數(shù)據(jù)

　　( D12_COMMAND_SET_DMA,????????????????????????????? //設(shè)置DMA命令

　　D12_DMA,????????????????????????????????????????? //發(fā)送命令數(shù)據(jù)

　　D12_COMMAND_SET_MODE,????????????????????????????? //發(fā)送設(shè)置模式命令

　　D12_MODE_CONFIG,????????????????????????????????? //發(fā)送模式設(shè)置

　　D12_MODE_CLOCK_DIV,?????????????????????????????? //發(fā)送分頻率模式

　　oth ers => X00 );

　　constant D12_CONNECT_DATA_TYPE: REG8x1:=???????????? //命令、數(shù)據(jù)執(zhí)行順序

　　( D12_COMMAND,

　　D12_DATA,????????????????????????????????????????? //發(fā)送數(shù)據(jù)

　　D12_COMMAND,

　　D12_DATA,????????
;?????????????????????????????????? //發(fā)送數(shù)據(jù)

　　others => 0 );?

　　constant D12_CONNECT_DATA_LENGTH: INTEGER8 := 5;???? //配置參數(shù)總長(zhǎng)度

　　constant D12_EP0_ACK_DATA: REG8x8:=????????????????? //配置0斷點(diǎn)命令

　　(?? D12_COMMAND_SEL_EP0_OUT,??????????????????????? //發(fā)送0斷點(diǎn)選擇

　　D12_COMMAND_ACK_SETUP,????????????????????????? //確認(rèn)建立
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??? D12_COMMAND_CLEAR_EP_BUFFER,??????????????????? //清寄存器

　　D12_COMMAND_SEL_EP0_IN,???????????????????????? //接收0斷點(diǎn)選擇

　　D12_COMMAND_ACK_SETUP,????????????????????????? //確認(rèn)建立

　　others => X00? );

　　constant D12_EP0_ACK_DATA_LENGTH: INTEGER8 := 5;??? //配置0斷點(diǎn)總長(zhǎng)度

　　constant ep0_ack_data: REG8x8 := D12_EP0_ACK_DATA;? //發(fā)送0斷點(diǎn)數(shù)據(jù)

4、 結(jié)語
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　　基于FPGA的VRLA蓄電池測(cè)試系統(tǒng)充分利用固件編程調(diào)試靈活，開發(fā)成本低，片上資源豐富等優(yōu)勢(shì)，能方便的實(shí)現(xiàn)多組輸入模擬量的擴(kuò)展?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)單體電壓0~15V、整組電壓0~500V，電壓測(cè)量精度：±0.5%；溫度測(cè)量范圍：-20℃~+80℃；內(nèi)阻測(cè)試范圍：0~99mΩ等高精度的參數(shù)測(cè)量。
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