文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)02-0059-03
城市或者有人居住的區(qū)域一般電磁環(huán)境比較復(fù)雜，而無線電監(jiān)測設(shè)備對(duì)各種電磁信號(hào)比較敏感，因此監(jiān)測基站通常設(shè)在人員活動(dòng)較少或不便的地區(qū)。這些地區(qū)由于自身所處環(huán)境的限制，難以架設(shè)供電線路，很難獲得電網(wǎng)市電的供應(yīng)。
風(fēng)能和太陽能作為可再生能源，分布廣泛，越來越受到人們的重視，而且風(fēng)能和太陽能不論在地域還是時(shí)間上的分布都具有一定的互補(bǔ)性。基于風(fēng)能和太陽能的這些特點(diǎn)，采用風(fēng)光互補(bǔ)可以理想地實(shí)現(xiàn)基站的離網(wǎng)供電。本文介紹了一種具有低功耗、對(duì)監(jiān)測設(shè)備無污染、功能豐富等特點(diǎn)的風(fēng)光互補(bǔ)電源控制系統(tǒng)[1]。
1 原理與設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架
系統(tǒng)大致可以分為電源管理、以太網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸和液晶顯示三個(gè)部分。
(1)電源管理部分：系統(tǒng)具有4組分布式電池組，風(fēng)機(jī)和太陽能電池板產(chǎn)生的電能先儲(chǔ)存到4組蓄電池組中，兩組為無線電監(jiān)測設(shè)備供電，另外兩組作為控制器的電源。主控芯片通過LIN總線獲得風(fēng)機(jī)、太陽能電池板和各組蓄電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)，以此為根據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充放電控制。
(2)以太網(wǎng)無線傳輸部分：系統(tǒng)通過SPI接口實(shí)現(xiàn)和以太網(wǎng)控制器ENC28J60的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而通過無線AP與工作站互相連接通信。工作站可據(jù)此獲得基站的實(shí)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)基站的遠(yuǎn)程控制。
(3)液晶顯示部分：具有3個(gè)可切換的顯示界面。液晶屏具有較高的功耗，現(xiàn)場無人時(shí)不需要開啟，因此系統(tǒng)設(shè)有2個(gè)垂直放置的雙元探頭熱釋電模塊，當(dāng)檢測到現(xiàn)場有人時(shí)啟動(dòng)顯示屏。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
1.2 主控芯片
主控芯片采用了基于ARM的32 bit Cortex-M3 MCU系列的STM32L152VBT6芯片。此芯片最大的特點(diǎn)是低功耗，在低功耗模式下，工作頻率為32 kHz時(shí)其電流消耗只有9 μA，睡眠模式下只有4.4 μA。STM32L152VBT6芯片工作電壓為1.65 V～3.6 V，具有24通道12 bit的A/D轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)1 MS/s，采集精度和速度均可滿足電壓電流檢測所需的A/D數(shù)據(jù)采集。
1.3 電源管理部分
1.3.1 電壓電流檢測
風(fēng)機(jī)、太陽能電池板和分布式電池組均有電壓電流檢測部分。使用霍爾電壓傳感器HFV10-25AS和霍爾電流傳感器ACS712實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流的檢測。HFV10-25AS內(nèi)部線圈匝比為2 500:1 000，能輸出與檢測的電壓成比例的電壓信號(hào)，線性度0.2%FS，響應(yīng)時(shí)間快(只有40 μs)，失調(diào)電壓溫漂±1.0 mV。ACS712內(nèi)置有精確的地偏置線性霍爾傳感器電路，能輸出與檢測電流成比例的電壓信號(hào)，噪聲低，響應(yīng)時(shí)間快(5 μs輸出上升時(shí)間，對(duì)應(yīng)步進(jìn)輸入電流)，總輸出誤差最大為4%，輸出靈敏度高(66 mV/A~185 mV/A)[2]。電壓電流檢測電路(1路)原理圖如圖2所示。
I_IN+和U_IN+為需要檢測的電流電壓進(jìn)口端，I_ADC和U_ADC為經(jīng)過霍爾傳感器變換后輸出的相應(yīng)的電壓值，與控制器的A/D轉(zhuǎn)換器通道相連?；魻杺鞲衅鞯膽?yīng)用可以精確快速地實(shí)現(xiàn)電壓電流的檢測，且應(yīng)用方便、性價(jià)比高。
1.3.2 分布式電池組數(shù)據(jù)傳輸及控制
主控芯片通過LIN總線獲取各個(gè)部分的電壓電流等實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。LIN總線是一個(gè)低速的A類串行總線協(xié)議，只需要一根12 V的單線總線，最高數(shù)據(jù)傳輸速度為20 KBaud，最大傳輸距離為40 m，一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)最大可掛載16個(gè)節(jié)點(diǎn)。LIN總線可以簡單方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸速度和實(shí)時(shí)性要求不高、功能簡單、性能指標(biāo)要求較低的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和控制[3]，而且其較低的數(shù)據(jù)傳輸速度和單總線可以減少總線上的功耗，有效降低由總線帶來的電磁干擾。LIN總線應(yīng)用的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖3中的TJA1020收發(fā)器是一個(gè)物理媒體連接，它是LIN主機(jī)/從機(jī)協(xié)議控制器和LIN傳輸媒體之間的接口。主控芯片通過串口與協(xié)議控制器交換數(shù)據(jù)。主控芯片的發(fā)送數(shù)據(jù)流被LIN收發(fā)器轉(zhuǎn)換成總線信號(hào)，而且電平轉(zhuǎn)換速率和波形都受到限制，以減少電磁輻射（EME）。TJA1020的接收器檢測到LIN總線上的數(shù)據(jù)流時(shí)通過RXD引腳發(fā)送至主控芯片。不需要時(shí)可使TJA1020處于睡眠模式，此時(shí)功耗非常低；需要時(shí)，TJA1020收發(fā)器可以直接通過由主控芯片控制的NSLP引腳激活。
1.3.3 蓄電池組充放電控制
控制器根據(jù)LIN總線接收到的各個(gè)部分的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，控制由繼電器組成的開關(guān)陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的充放電控制。
控制系統(tǒng)需要的多種電壓值電源經(jīng)過整流斬波得到，在此過程中不可避免地會(huì)在電源處產(chǎn)生干擾。如若控制系統(tǒng)和無線電監(jiān)測設(shè)備都直接使用風(fēng)機(jī)、太陽能電池板產(chǎn)生的電能，無線電監(jiān)測設(shè)備就有可能在電源上受到干擾，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)果。因此風(fēng)機(jī)和太陽能電池板產(chǎn)生的電能首先存儲(chǔ)到蓄電池組中，且采用不同的電池組分別為控制系統(tǒng)和無線電監(jiān)測設(shè)備供電，其中為無線電監(jiān)測設(shè)備供電的兩組蓄電池組采取了充放電不同時(shí)的控制方案，即對(duì)于J1和J2，若J1與觸點(diǎn)1導(dǎo)通，則J2與觸點(diǎn)2導(dǎo)通；若J1與觸點(diǎn)2導(dǎo)通，則J2與觸點(diǎn)1導(dǎo)通。采取這種供電方式，可杜絕電源處的干擾對(duì)監(jiān)測設(shè)備的影響?？紤]到各地各時(shí)的風(fēng)能和太陽能分布情況有所不同，設(shè)計(jì)的風(fēng)能和太陽能的配比為2:1，可以通過控制J3和J4選擇合適的配比，提高對(duì)能源的利用率。電源切換示意圖如圖4所示。
系統(tǒng)所用繼電器為一繞組雙觸點(diǎn)閉鎖型繼電。繼電器通電動(dòng)作以后，自動(dòng)鎖定其狀態(tài)，只有為控制線圈通反向電流才可以改變觸點(diǎn)狀態(tài)。閉鎖型繼電器的使用，只需在繼電器切換的瞬間為控制線圈通電，從而可有效減少驅(qū)動(dòng)繼電器所帶來的功耗。
1.4 以太網(wǎng)無線傳輸部分
由于基站所處位置和環(huán)境，鋪設(shè)有線線路基本不可能實(shí)現(xiàn)，只能依靠無線通信。在此選用5.8G無線AP，因?yàn)槠漕l段由于應(yīng)用較少，因此數(shù)據(jù)傳輸更安全可靠，干擾也較低。主控芯片通過SPI接口與以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而通過無線AP實(shí)現(xiàn)與工作站的連接和數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)不需要進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可使ENC28J60進(jìn)入休眠模式，可以顯著地降低系統(tǒng)的功耗。
1.5 液晶顯示部分
顯示屏為5英寸800×480圖形點(diǎn)陣，工作電壓為5 V，背光關(guān)閉時(shí)電流為180 mA，開背光時(shí)電流最大將達(dá)到600 mA，功耗較大，因此只有在熱釋電模塊感應(yīng)到現(xiàn)場有人或者其他需要的情況時(shí)，才予以上電使液晶屏工作，其他時(shí)間都處于斷電狀態(tài)。系統(tǒng)中使用雙MOSFET芯片來控制液晶顯示屏地與系統(tǒng)地的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)屏上電與否的控制。
1.6 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)在Keil uVision 4編譯環(huán)境下使用C語言編寫，軟件流程圖如圖5所示。
系統(tǒng)開機(jī)復(fù)位初始化后首先運(yùn)行數(shù)據(jù)采集子程序，隨后進(jìn)入電源切換子程序。電源切換子程序運(yùn)行時(shí)，首先根據(jù)檢測到的風(fēng)機(jī)和太陽能電池板電壓電流情況控制圖4中所示J3和J4的配比，為需要的電池組進(jìn)行充電。各電池組根據(jù)采集到的電池組電壓數(shù)據(jù)與設(shè)定的電壓閾值VMAX、VMIN做比較，若VBAT≤VMIN則控制充電，若VMIN<VBAT<VMAX則可選擇此電池組供電[4]。對(duì)于顯示子程序，根據(jù)熱釋電的輸出信號(hào)對(duì)顯示屏的通斷進(jìn)行控制。以太網(wǎng)子程序設(shè)計(jì)每半小時(shí)與工作站連接一次互相進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸完畢后選擇讓以太網(wǎng)控制器ENC28J60進(jìn)入休眠模式。
2 實(shí)驗(yàn)
經(jīng)測試，LIN總線最大傳輸距離可達(dá)40 m，足以實(shí)現(xiàn)基站各個(gè)部分之間的數(shù)據(jù)傳輸；熱釋電模塊最遠(yuǎn)感應(yīng)距離可達(dá)7 m，兩個(gè)垂直交叉放置的熱釋電模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超過40 m2范圍的感應(yīng)，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)基站內(nèi)有人與否的監(jiān)控。
LIN總線的主/從機(jī)節(jié)點(diǎn)在睡眠模式下只有3 μA消耗，LIN發(fā)生故障對(duì)地短接時(shí)也才只有100 μA的消耗。熱釋電模塊也具有較低的功耗，靜態(tài)電流小于50 μA，液晶屏選擇合適的背光亮度，實(shí)際工作電流在480 mA。以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60工作電流為250 mA，當(dāng)進(jìn)入休眠模式時(shí)，電流消耗降為微安級(jí)別。當(dāng)顯示屏和以太網(wǎng)控制芯片同時(shí)工作時(shí)，系統(tǒng)的功耗最高，達(dá)到3.23 W；而當(dāng)顯示屏處于關(guān)斷和以太網(wǎng)控制芯片處于休眠模式時(shí)，功耗只有0.06 W，系統(tǒng)絕大部分時(shí)間都運(yùn)行在此狀態(tài)，故有著極低的功耗。
經(jīng)實(shí)際測試及運(yùn)用，不論風(fēng)能和太陽能充足與否，控制系統(tǒng)均可滿足負(fù)載的用電需求，且運(yùn)行平穩(wěn)有效，能源利用率較高，能夠理想地解決離網(wǎng)的無線電監(jiān)測基站的供電問題；對(duì)監(jiān)測設(shè)備無干擾，且系統(tǒng)有著極低的功耗；設(shè)計(jì)人性化，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制等功能。
參考文獻(xiàn)
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