1、 引言

閥控式鉛酸蓄電池（VRLA）在實際使用中會出現(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，而不是以平均值或額定值（初始值）為準，當電池的實際容量下降到其本身額定容量的90% 以下時，電池便進入衰退期，當電池容量下降到原來的80%以下時，電池便進入急劇的衰退狀況，衰退期很短，此時電池組已存在極大的事故隱患，所以對VRLA蓄電池的定時檢測和在線監(jiān)測是非常重要和必須的。

2、 硬件電路設計

VRLA蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是對直流電源VRLA蓄電池組中每一個VRLA蓄電池的端電壓進行巡檢，其工作方式分為實時監(jiān)測和定時監(jiān)測兩類，定時監(jiān)測的時間間隔由用戶根據(jù)實際需要設定，用戶可隨時切換實時與定時監(jiān)測兩種工作模式，通過監(jiān)視器顯示電壓、溫度、內阻曲線實現(xiàn)對單個及整體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，并缺省設置越限報警電壓及溫度范圍限，如有異常情況立即發(fā)出報警信號。

2.1  測試系統(tǒng)硬件結構

本例FPGA開發(fā)系統(tǒng)采用Xilinx FPGA控制模塊Spartan-II(XC2S200)、差動式多路模擬開關（包括模擬開關CD4051及光耦合器TLP181）、A/D轉換AD0809芯片、Philips公司PDIUSBD12通用串行接口芯片、Winbond公司W29C020C并口Flash存儲器及SRAM W24257、2×4鍵盤陣列、越限報警器件等構成。理想的VRLA蓄電池測試系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測VRLA蓄電池組內單節(jié)VRLA蓄電池的電壓，內阻和溫度能夠有效的識別單節(jié)VRLA蓄電池的性能差異和安全臨界點，有效控制單節(jié)VRLA蓄電池的過充，過放和熱失控，實現(xiàn)均衡放電和均衡充電的理想功能；同時準確計算出單個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蓄電池負載特性參數(shù)選擇，延長VRLA蓄電池使用壽命。

圖1 整機系統(tǒng)框圖

2.2  差動式多路模擬開關設計

數(shù)據(jù)采集電路設計采用差動式多路模擬開關可以避免常規(guī)雙刀式繼電器模擬開關對大型VRLA蓄電池組測量時需要的繼電器太多，儀器的體積過大，功耗、成本及故障率高等眾多缺點，如圖示差動式模擬開關工作電源由所測VRLA蓄電池組提供，并采用光耦合器隔離采樣開關與低壓系統(tǒng)，以解決VRLA蓄電池組的電池數(shù)目多，電壓高，難以測量等問題。差動式模擬開關工作過程為：FPGA控制器通過控制端CA，CB來同時控制U1，U2八選一模擬開關，如果控制端同時選中輸入端B1，則模擬開關U1輸出端OUT1輸出VRLA蓄電池B1的正端電壓，而模擬開關U2的輸出端OUT2輸出則是B1的負端電壓，如果將OUT2接到測量系統(tǒng)的地電平，OUT1接到測量系統(tǒng)信號輸入端，則便可測得VRLA蓄電池B1的各項數(shù)據(jù)值。同理，只要控制CA，CB就可完成對B1～B4各個單體電池數(shù)據(jù)的量測，繼而得出整組電池的各項參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖2 差動式模擬開關電路原理圖

3、 軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，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，超限判斷及報警子程序，USB端點通信子程序，中斷處理子程序；上位機應用程序在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

用于完成FPGA及外部模塊的上電自檢和初始化，初始化flash存儲器，SRAM工作區(qū)，A/D轉換器及差動模擬采樣通道設置、USB端口及周邊接口的上電復位。初始化將對初始狀態(tài)給予設定，包括定時器、中斷器的開放等。其中外部中斷用于響應鍵盤信號及USB口中斷響應與上位機通信等操作。

3.2  USB控制端點中斷服務程序流程圖

USB控制端點中斷服務程序功能是在USB通信口發(fā)出中斷響應后把當前選定的單節(jié)蓄電池的電壓、溫度等數(shù)據(jù)存入相應數(shù)據(jù)區(qū)，為系統(tǒng)顯示、報警、通信等功能提供原始數(shù)據(jù)，之后根據(jù)用戶設置的蓄電池組數(shù)、每組蓄電池節(jié)數(shù)及設定電壓、溫度值，將原始數(shù)據(jù)作相應修正即可在上位機應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、內阻曲線。

圖3 USB控制端點中斷服務程序流程圖

參考Philips公司PDIUSBD12數(shù)據(jù)手冊，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)實現(xiàn)各個命令，以后直接調用相關函數(shù)即可。FPGA內部USB控制端點與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,                              //設置DMA命令

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

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

D12_MODE_CONFIG,                                  //發(fā)送模式設置

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

  others => X"00" );

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)總長度

constant D12_EP0_ACK_DATA: REG8x8:=                  //配置0斷點命令

(   D12_COMMAND_SEL_EP0_OUT,                        //發(fā)送0斷點選擇

    D12_COMMAND_ACK_SETUP,                          //確認建立

    D12_COMMAND_CLEAR_EP_BUFFER,                    //清寄存器

    D12_COMMAND_SEL_EP0_IN,                         //接收0斷點選擇

    D12_COMMAND_ACK_SETUP,                          //確認建立

    others => X"00"  );

constant D12_EP0_ACK_DATA_LENGTH: INTEGER8 := 5;    //配置0斷點總長度

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

基于FPGA的VRLA蓄電池測試系統(tǒng)充分利用固件編程調試靈活，開發(fā)成本低，片上資源豐富等優(yōu)勢，能方便的實現(xiàn)多組輸入模擬量的擴展。可實現(xiàn)對單體電壓0~15V、整組電壓0~500V，電壓測量精度：±0.5%；溫度測量范圍：-20℃~+80℃；內阻測試范圍：0~99mΩ等高精度的參數(shù)測量。

參考文獻：

[1]. 劉韜、樓興華 FPGA數(shù)字電子系統(tǒng)設計與開發(fā)實例導航[M] 人民郵電出版社 2005.6，210-230
[2]. 周志敏、周紀海 閥控式密封鉛酸蓄電池實用技術[M] 中國電力出版社 2004.10，97-109
[3]. 萬利峰 基于PDIUSBD12的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[J] 微計算機信息 2006.5-1，110-112
[4]. 周勝海 集成多路模擬開關的應用技巧[J] 電子技術應用 2005.7，79-80
[5]. PDIUSBD12 USB Interface Device datasheet Ver.08 Philips Co., 2001