蓄電池作為一種主要的直流電源，在工業(yè)、航空航天、民用等各領(lǐng)域扮演著重要的角色。在定期的蓄電池充放電操作及維護中，現(xiàn)有的充放電裝置工作時間過長，工作效率較低；被充放電電池的狀態(tài)不能及時監(jiān)測，且充放電現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，有損于操作人員的健康。針對這些問題，設(shè)計了一種遠程控制的智能充放電裝置。該裝置主要通過下位機——單片機將采集到的蓄電池電壓電流信號經(jīng)處理后發(fā)送給上位機——PC機，再經(jīng)可視化的人機界面實現(xiàn)充放電的控制和實時狀態(tài)顯示?？紤]到該系統(tǒng)要具有較強抗干擾能力，傳輸距離長、工程布線簡單、適合擴展、便于控制的特點，故采用RS 485總線實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸。
1 遠程通信總體方案設(shè)計
該系統(tǒng)中采用的RS 485是半雙工接口，雙向單信道的連接方式。在整個系統(tǒng)中他用1根雙絞線將分布在不同地理位置的充放電裝置并接在一起，在各個裝置中，單片機采集模塊和命令控制模塊作為下位機。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。PC機的串口通過232-485轉(zhuǎn)換器接入網(wǎng)絡(luò)。另外添加半雙工低功率收發(fā)器件MAX485來為單片機提供TTL電平與RS 485的接口電平之間的轉(zhuǎn)換。差分平衡型收發(fā)器MAX485是RS 485的一種接口芯片，他集成了1個驅(qū)動器和1個接收器。處于禁止?fàn)顟B(tài)的驅(qū)動器和多個接收器掛在傳輸線上不會影響信號的正常傳送，故多個驅(qū)動器和接收器可以共享一組公用傳輸線。網(wǎng)絡(luò)上可掛32個站，每個站點都有固定的地址。同一時刻只能有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)，而其他站點只能處于接收狀態(tài)，以免發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞錯誤。
圖2為輸出簡化示意圖。
單片機，MAX485和充放電驅(qū)動電路作為一個站點接入RS 485總線。A，B是總線的接口，DI是發(fā)送端，RO是接收端，連接單片機的串口，單片機通過引腳進行收發(fā)控制。
2 通信硬件設(shè)計
MAX485與單片機的電路連接如圖3所示。
第1腳(RO端)為接收輸出端，當(dāng)接收輸出使能(第2腳(／RE))為低電平時，如果VA-VB>200 mV或者A，B斷路，則第1腳輸出為高；如果VA-VB<200mV，則第1腳輸出為低；第2腳接收輸出使能端低電平有效，第3腳(DE端)驅(qū)動輸出使能端，第4腳(DI端)驅(qū)動輸入端，第5腳為地，第6，7腳為總線接口端，第8腳為電源端。單片機將采集到的蓄電池狀態(tài)信息經(jīng)MAX 485轉(zhuǎn)變成適合傳輸?shù)碾娏鳝h(huán)信號。該信號具有傳輸距離遠，抗干擾能力強的特點，以保證信號無衰減地傳到232／485轉(zhuǎn)換器端。232／485轉(zhuǎn)換器主要完成電流環(huán)到微機RS232接口的轉(zhuǎn)換，如此即可實現(xiàn)PC機到單片機的通信。其原理圖如圖4所示。用戶通過PC機的界面控制網(wǎng)絡(luò)上各站點的工作，各站點的設(shè)備也可將反饋的信息發(fā)送給PC機進行蓄電池充放電裝置的實時監(jiān)測。
3 通信軟件設(shè)計
3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
RS 485是一種硬件連接說明標(biāo)準(zhǔn)，并沒有指定所使用的通信協(xié)議。為了使命令和數(shù)據(jù)能在網(wǎng)絡(luò)上正確傳輸，必須在數(shù)據(jù)鏈路層上提供一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，當(dāng)物理層的比特流出現(xiàn)錯誤時能起到檢驗和校正的功能。參見(見圖1)遠程控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡圖，單片機采集子系統(tǒng)將采集到的蓄電池狀態(tài)上傳到PC，命令控制子系統(tǒng)主要是接受PC機的各種命令并對充電系統(tǒng)進行控制。兩子系統(tǒng)與PC機之間均采用主從協(xié)議，串口通信，其通信參數(shù)設(shè)置為：傳輸速度：9 600 b／s；校驗位：無；數(shù)據(jù)位：8；停止位：1。
3.1.1 上位機向下位機發(fā)送控制命令
(1)上位機發(fā)送
擴展在雙絞線上的每個充電模塊必須有惟一的地址編號，以便保證PC機發(fā)送控制命令時能準(zhǔn)確無誤地找到所需的充電的模塊。分布式模塊的命令格式被分為發(fā)送與接收兩部分，格式如下：
每一幀代表的信息如下：
起始位：單片機與PC機之間通訊的起始標(biāo)志；地址位：下位機的地址號設(shè)計為01H～1FH(即1～31)，上位機的地址為00H。
命令類型：0為停機命令，1為充電命令；設(shè)定數(shù)值：控制命令為充電時，數(shù)值量為充電電流；(2)控制板返回：Y(如果接收成功則返回Y)。
3.1.2 下位機向上位機發(fā)送采集數(shù)據(jù)
(1)下位機每隔10 s間斷性的發(fā)送電壓電流采集值給上位機；
(2)采集板返回7個連續(xù)字符(中間不插入空格)，格式如下：
前3個字符為蓄電池端電壓，接著3個為充電電流值。蓄電池端電壓用3個字符表示，如：51.2 V～512 V。充放電電流3個字符表示：15.7 A～157 A(如果電流值<10 A，左邊補0，如：8.9～089)。注意：所有的字符均為10進制數(shù)值對應(yīng)的ASCⅡ碼?？紤]到單片機要及時將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，故使用無握手的通信機制，不等待確認幀就不停發(fā)送。另外，若接收方在約定時問內(nèi)未收到數(shù)據(jù)，則發(fā)送復(fù)位幀，雙方回到通信程序的開始并清空緩沖區(qū)，然后重新同步。
3.2 單片機程序設(shè)計
在主程序中，先將單片機及其存儲器初始化，進入死循環(huán)，等待中斷程序。中斷程序包括：A／D采集中斷，他主要是將采集到的電壓，電流瞬時信號值處理并保存；另外1個就是串口通信中斷程序，他的主要作用是：當(dāng)接收一個地址時，判斷是否是本機地址，若是則判斷控制命令，否則結(jié)束。繼續(xù)執(zhí)行PC機接收的數(shù)據(jù)命令，分別表示停機、充電、放電等命令。通過字符串比較，判斷出執(zhí)行的命令。具體流程如圖5所示。
3.3 PC機程序設(shè)計
PC機的人機交互界面由C++Builder語言開發(fā)實現(xiàn)的，他主要包含通信模塊，數(shù)據(jù)顯示和處理模塊。在綜合考慮開發(fā)效率和程序功能后，選擇了Win32API函數(shù)來編寫通信程序。此函數(shù)在C++Builder里面中均已被聲明，直接引用即可。為了提高通信程序的響應(yīng)速度，程序通過Thread類實現(xiàn)多線程通信。在主線程中打開串口并發(fā)送數(shù)據(jù)，另外再建立1個線程來監(jiān)聽串口，若接收到數(shù)據(jù)后就調(diào)用數(shù)據(jù)分析和處理線程，顯示狀態(tài)曲線并且將數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫。部分程序代碼如下：
以3個站點的充放電實時監(jiān)測為例，在PC機上可顯示如圖6所示的實時信息。
4 結(jié) 語
基于RS 485的遠程充放電裝置控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)1臺PC機上最多可控制32個站點。由于RS 485采用的是平衡驅(qū)動和差分接收的方法，因此能從根本上消除信號地線，有很強的抗共模干擾信號的能力。他還具有一對線路驅(qū)動器和接收器，能夠作長距離的信號傳輸，最長為1 200 m。且傳輸結(jié)構(gòu)簡單、成本低、實用性強。可以廣泛應(yīng)用與工作環(huán)境惡劣，耗時勞民的充放電現(xiàn)場。