《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CPLD的風(fēng)光互補發(fā)電閥控蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第9期
肖閩進, 何一鳴, 鮑玉軍
常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 常州213002
摘要： 提出了一種風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中閥控蓄電池組智能監(jiān)測系統(tǒng)，針對發(fā)電機系統(tǒng)的電磁干擾，采用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）作為主控器件。數(shù)據(jù)采集設(shè)計了模塊化的分時采集方式，數(shù)據(jù)處理采用了改進的二次中值濾波算法，實現(xiàn)了以EPM7128SLC84為控制核心的系統(tǒng)硬件設(shè)計，給出了CPLD內(nèi)部模塊設(shè)計和部分模塊的時序仿真。試驗結(jié)果表明，蓄電池智能監(jiān)控器具有較強抗干擾能力和適應(yīng)多種電池組功率配置。
中圖分類號： TM932；TP216.1
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)09-0093-03
Design of valve regulated battery monitor system in wind and solar photovoltaic generation based on CPLD
Xiao Minjin, He Yiming, Bao Yujun
School of Electronic information & Electric Engineering,Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002， China
Abstract： Presents a valve regulated battery monitor system in wind and solar photovoltaic generation. The design uses a complex programmable logic device (CPLD) as a control device to improve the interference in generator application environment. The data acquisition uses modular and time division acquisition mode. Data processing using an improved two-time median filtering algorithm. System hardware design is implemented by using EPM7128SLC84 as a core controller and the CPLD module design and part of the internal module timing simulation are given in this paper. The real vehicle test results in a pure electric vehicle center show that the intelligent car battery monitor has ability of anti-interference and adapts to a variety of battery configurations.
Key words : wind and solar photovoltaic generation, valve regulated battery, CPLD, median filtering

    風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中，當發(fā)電功率的波動超過額定功率的10%，或是當風(fēng)力引起葉片轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的10%時，系統(tǒng)主要依靠蓄電池組儲、供電能，以保證風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率穩(wěn)定。因此，作為輔助電能來源的閥控蓄電池組的工作狀態(tài)對于發(fā)電系統(tǒng)的正常運行極為重要。目前對于普通蓄電池組采用單片機作為主控單元的監(jiān)控方法[1-2]，但在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)運行中，單片機受到發(fā)電機及其他輔助電器的電磁場干擾，其數(shù)據(jù)采集可靠性下降。本閥控蓄電池組監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）作為核心控制器，以全硬件方式工作，具有抗電磁干擾能力強、可靠性高的特點，實現(xiàn)了對蓄電池組的連續(xù)實時監(jiān)控[3-4]。

1 系統(tǒng)組成與工作原理
    圖1是電池監(jiān)控器的系統(tǒng)圖。圖中單個的電池通過適當連接組成電池組；取樣電路對電池電壓取樣并進行電平轉(zhuǎn)換；A/D轉(zhuǎn)換器將取樣得到的多路模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD是本電池監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制電路，其功能是控制取樣電路和A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓信號并進行抗干擾數(shù)字濾波處理，通過通信接口輸出數(shù)據(jù)到觸摸屏人機界面（HMI）實時顯示電池電壓，當電池低于設(shè)定值時輸出低電壓告警信號；低電壓設(shè)置電路用于設(shè)定正常工作的電池最低電壓值，給主控CPLD提供比較基準電壓，此基準電壓可在觸摸屏人機界面上設(shè)置。通信接口電路進行硬件電平和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)系統(tǒng)與上位機或觸摸屏人機界面的連接[5-7]。

    圖2是主控電路原理圖。圖中JK1是電池組取樣輸入端子，其中端子1、2和電阻R1、R2、R3組成電池組中的第1個電池（1#電池）取樣電路。與此類似，端子3、4和電阻R4、R5、R6組成電池組中的2#電池取樣電路，…，端子15、16和電阻R22、R23、R24組成電池組中的8#電池取樣電路。取樣信號輸出端IN0，IN1，…，IN7連接到A/D轉(zhuǎn)換器；CMOS集成模擬開關(guān)U3、U4分時選擇取樣電池，模擬開關(guān)的控制端CNT1，CNT2，…，CNT8連接到CPLD的I/O口，由CPLD時序控制。上述取樣電路可控制8個電池的取樣，當電池組中的電池數(shù)量多于8個時，增加取樣電路和相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器，可使取樣電池數(shù)以8的倍數(shù)增加，以滿足不同的功率配置需求。

    電壓采樣采用8路巡檢方式，A/D轉(zhuǎn)換電路采用8路輸入的ADC0809，在CPLD的控制下，將取樣電路的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。SW1撥碼開關(guān)與RB1排阻電阻器組成電壓最小值設(shè)置電路，可根據(jù)需要，設(shè)定電池組正常工作所需要的最低電壓值。
    圖3是通信接口電路，單片機P1口與CPLD數(shù)據(jù)線連接，讀出采樣數(shù)據(jù)；P3口的4個I/O線采用分時方式向CPLD輸出8位比較基準電壓數(shù)據(jù)。通信接口芯片MAX232進行電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對上位機或觸摸屏人機界面（HMI）的通信連接。

2 CPLD模塊設(shè)計
    設(shè)計中采用Altera公司具有128邏輯宏單元的復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）EPM7128SLC84作為本電池監(jiān)控器的核心控制器，內(nèi)部設(shè)計有取樣控制模塊，A/D轉(zhuǎn)換控制模塊，抗干擾數(shù)字濾波模塊，低電壓設(shè)置與預(yù)判模塊；圖4是CPLD模塊連接圖（頂層設(shè)計圖）。

 

 

    圖中SAMPCNTL為取樣控制模塊，通過對外部模擬開關(guān)CD4066的分時控制,順序采樣各電池的電壓數(shù)據(jù)。
    DATAFILT為數(shù)字濾波模塊，對于風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的隨機噪聲和周期性變化干擾，分別采用改進的二次中值濾波和平均值濾波。其中改進的二次中值濾波算法如下:設(shè)置數(shù)據(jù)窗J×K，對于每組的J個數(shù)據(jù)進行K組排序，取得每組的中值，得到一次中值序列：
   
式(2)中， m與取數(shù)起點有關(guān)，Med{·}表示取中值運算。
    ADCNTL為A/D轉(zhuǎn)換控制模塊，A/D轉(zhuǎn)換控制設(shè)計了5狀態(tài)有限狀態(tài)機，圖5是有限狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

    圖中每個狀態(tài)生產(chǎn)檢測或輸出A/D轉(zhuǎn)換器的一組工作信號，并且在時序上滿足A/D器件的要求。圖6是A/D轉(zhuǎn)換控制模塊的時序仿真圖。
    圖5中有限狀態(tài)機循環(huán)轉(zhuǎn)換5個狀態(tài)State1~State5，實現(xiàn)對A/D0809的連續(xù)采樣控制。State1是初始化狀態(tài)，State2開始轉(zhuǎn)換，State3檢測轉(zhuǎn)換結(jié)束信號end_conv，若end_conv為低電平，則保持State3狀態(tài)，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)線為高阻；若end_conv上跳為高電平，則表示A/D轉(zhuǎn)換完成，數(shù)據(jù)有效，進入State4讀數(shù)據(jù)狀態(tài)。State5是輸出數(shù)據(jù)鎖存狀態(tài)，控制lock1輸出數(shù)據(jù)鎖存脈沖，在時鐘上升沿將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)鎖存到寄存器中。由圖中可見，State3的設(shè)計實現(xiàn)了高速CPLD與低速A/D轉(zhuǎn)換器件的時序配合[8-9]。
    LOWBATTA為低電壓設(shè)置與預(yù)判模塊，本模塊讀入外部撥碼開關(guān)8位數(shù)據(jù)及通信接口電路分時8位設(shè)置數(shù)據(jù)并由寄存器保存，當檢測數(shù)據(jù)有效時進行數(shù)值比較，若檢測電壓值低于設(shè)置電壓值，則輸出告警數(shù)據(jù)。為防止虛警發(fā)生，采用了多次比較，多數(shù)表決算法。
3 系統(tǒng)在線檢測結(jié)果
    系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中閥控蓄電池組檢測的工作主界面每10 s記錄并顯示一組數(shù)據(jù)：時間、日期、電池組號、電壓值，以及電壓值超限告警的情況。頂部以走馬燈方式顯示告警原因，界面上顯示故障或低電壓電池號。電壓值/組號設(shè)置及告警顯示觸摸按鈕分別用于低電壓值設(shè)置、電池組號設(shè)置和告警歷史情況顯示。
    實測數(shù)據(jù)在HMI中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計為EXCEL工作表形式，數(shù)據(jù)包含了當前日期、時間、電池組號、測量電壓值等信息，可以存儲在大容量U盤或HMI的內(nèi)置SD卡中，方便將測量結(jié)果處理成各種數(shù)據(jù)圖表，為運行管理提供基本數(shù)據(jù)。
    風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中閥控蓄電池組監(jiān)控裝置是系統(tǒng)的重要部件，開發(fā)高效率、高可靠的電池在線檢測技術(shù)對于風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運行具有重要價值。本電池智能監(jiān)控系統(tǒng)進行了在線運行試驗。結(jié)果表明在運行環(huán)境中具有較高的抗干擾能力，對于不同電池組配置有良好的適應(yīng)性，具有一定的實用價值。進一步的研究，可在保證可靠性的前提下，對系統(tǒng)的巡檢方式作適當改進，以增加單組電池的數(shù)量，提高監(jiān)測效率，滿足更大容量的功率配置。
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