【正文】 此外，還要感謝這四年中，學院和學校的老師們不遺余力的傳授我們知識，為我打下了良好的基礎。在和蘇老師接觸的過程中，漸漸地對蘇老師有了更深的了解。 論文重 點 給出了鋰電池化成 電源監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構圖，之后的所有內容就是圍繞這個結構圖展開；并且選取了一種十分靈活的結構模式，上位機監(jiān)控系統(tǒng)和下位機監(jiān)控系統(tǒng)可以互相配合，也可以單獨工作，在此，上位機監(jiān)控系統(tǒng)的 PC 機和下位機監(jiān)控系統(tǒng)的液晶便有了明確的設計方向?？梢噪S時查看并調用已經保存的數(shù)據(jù)和曲線。 38 基于 LabVIEW 的上位機界面 設計 上 位 機 界 面通訊設置初始設置啟停控制故障顯示數(shù)據(jù)文件主 界 面開機界面初始化界面運行狀況實時曲線 圖 上位機界面 架構 圖 圖 為上位機界面結構圖，下面結合具體界面介紹其作用。 G 語言編寫的程序稱為虛擬儀器 VI，因為它的界面和功能與真實的儀器十分相像，比較直觀。局域 網規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式為 ： 發(fā) 送 節(jié) 點 M A C地 址接 收 節(jié) 點 ＭＡ Ｃ 地 址有 效 載 荷 （ 傳 輸 的 數(shù) 據(jù) ） 校 驗 信 息 圖 數(shù)據(jù)幀格式 2） 網線；在本論文中， 采用網線作為組網的連接線 。每隔幾分鐘自動保存一組數(shù)據(jù)。 主界面 4）通訊設置； 在主界面，還可以選擇聯(lián)機、脫機；脫機的設備可以由液晶去控制。 當把它們連成了網絡后，只要在 PC 機上就可以完成對大批量鋰電池化成的監(jiān)控 [12]。一 般使用的數(shù)據(jù)是數(shù)值型和字符型，成組添加時選擇組對象。 30 2） 運行數(shù)據(jù)界面 圖 運行數(shù)據(jù)界面 運行數(shù)據(jù)界面 ；可以顯示各個電池單元的運行數(shù)據(jù)。 28 3） 初始化錯誤界面 圖 初始化錯誤界面 初始化錯誤界面；當出現(xiàn)通訊故障時，就會跳入初始化錯誤界面，這里會具體顯示液晶和哪個電池單元之間通訊不正常。 3）設備窗口是用戶系統(tǒng)與外部設備聯(lián)系的媒介。 運行環(huán)境則是一個獨立的運行系統(tǒng)，它按照組態(tài)工程中用戶指定的方式進行各種處理，完成用戶組態(tài)設計的目標和功能。它的組態(tài)環(huán)境即開發(fā)一個 MCGS 實際的應用系統(tǒng)所需要的環(huán)境可以在 Microsoft 的各種 32 位 Windows 平臺上運行。 2） 16 位故障碼的每一位分別代表一種故障，如 0x0010 表示蓄電池側電壓過壓。 3 恒流放電 放電采用恒流放電方式，須設置恒流放電電流值和放電截止電壓值。 下位機監(jiān)控系統(tǒng)的 功能 描述 一個鋰電池化成電源設備由兩百個電池單元和一塊液晶構成，如圖所示；液晶作為下位機監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，控制著整個設備中所有的電池單元的工作。 液晶的采集腳本每隔一段時間都要向單片機要數(shù)據(jù)，所以 EN 的初始狀態(tài)一直處于低電平，即 485 一直處于接收狀態(tài)，當單片機接收到液晶索要數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包時，將使能端 EN 置 1，使能 485 的發(fā)送，同時會存下這段數(shù)據(jù)，判斷液晶要的是什么數(shù)據(jù)，并將這個數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖區(qū)， 485 會將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時使能端 EN 回零。 下表是通過反復實驗得到的各個采樣值的修正系數(shù)。 3）直流側電壓采樣： 表 直流側 電壓 采樣 實驗結果 Udclink Udclink_ADC 變比 69mV 1/ 36mV 1/ 結論：平均值為 ， ? ， 基本滿足變比。 S1 和 S4 同時關斷， S2 和 S3 同時關斷； 6）改變驅動脈寬，可調節(jié)兩端功率傳輸大小和方向 [5]。 本章總結：本章最主要的工作就三塊，一是介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能。 正常情況下， PC 機和液晶一起構成完整的監(jiān)控系統(tǒng)；在本論文中，所采用的這種模式靈活性很大，無論是 PC 機還是液晶，都能獨立的完成監(jiān)控工作，在實際情況中可以應付各種情況的出現(xiàn)； 系統(tǒng)硬件設計方案 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要包括 PC 機、液晶、路由器、通訊連接線等，其實還包括充電電源主電路以外的所有控制電路，但過多的闡述對本論文來說太過累贅，因此論文中只會簡單介紹單片機、采樣電路、通訊 電路這幾個對監(jiān)控系統(tǒng)至關重要的電路。電網的交流電經過 AC/DC 電源轉化為直流電，再經過雙向 DC/DC 電源給電池充電，給電池充電的電能來自電網，電池放電的電能也可以回饋到電網；每個設備都可以工作在不同的工作模式，比如設備 1 工作在充電模式時，設備 2 可以工作在放電模式，這樣設備 1 所消耗的電能一部分可以由設備 2來提供，或者完全由設備 2 提供，這種方式極大的降低了電能的損耗；在監(jiān) 控化成的過程中，化成設備從電網消耗的電能，或者給電網 回饋了多少電能，都是可以檢測到的。 7）以上功能均需要通訊，因此必須保證 PC 機和液晶、液晶和各個電池單元通訊正常。 由 鋰電池 本身的充放電特性曲線，可以得到恒流充電、恒壓充電、擱置、恒流放電分別需要多少時間，也是 由鋰電池本身的特性曲線劃定每個階段的結束時間和起始時間 ，以此作為每個階段開始和結束的依據(jù)。 4）給出上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，并利用 LabVIEW 設計上位機的監(jiān)控界面 。第一種對化成電源監(jiān)控系統(tǒng)來說更現(xiàn)實。微處理器可以實現(xiàn)實時性要求非常高的數(shù)字控制算法，通過 IO 口發(fā)出開關控制信號，還可以將采集的數(shù)據(jù)保存并送至計算機保存。 虛擬儀器從功能上分為三部分，即 1）信號采集與控制； 2）數(shù)據(jù)分析和處理； 3）測量結果的顯示。 鋰 電池化成電源監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 4 虛擬儀器技術 20 世紀 90 年代的美國，誕生了一種基于計算機的儀器，稱為虛擬儀器 [1]。采用高進度、數(shù)字化、智能化的電源對電池進行充放電，是對電池化成檢測設備提出 的一個重要技術指標。 將多個獨立的充電系統(tǒng)連成網絡，就可以完成對大批量的鋰電池化成的監(jiān)控。 論文還詳細 給出 了 上位機 監(jiān)控系統(tǒng)的 設計方案，并利用LabVIEW 設計上位機的監(jiān)控界面。并且，我們需要實時監(jiān)控電池的運行狀態(tài)，當化成出現(xiàn)故障時需要及時報警，并且顯示具體故障信息。另一種方式是將儀器裝入計算機。這也是本論文采取的方式。 3）就系統(tǒng)的結構模式而言 —— 智能化：網絡化虛擬儀器的結構模式有三種，根據(jù)不同的要求選擇不同的結構模式。 2）對監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路進行設計，主要設計的是采樣電路和 485 通訊電路。 4) 恒流放電：電池以恒流放電至截止電壓。 5）故障報警的功能。 在設計的過程中， PC 機可以做到不需要液晶，仍能監(jiān)控所有的電池。還有，單片機保護程序，需要知道最大電流、最大電壓限幅值是多少，這些數(shù)值也是液晶下發(fā)的；另外，當電池單元出現(xiàn)某種故障時，也需要單片機進行判斷，并將帶有故障信息的 16 為故障碼上傳。同時，本章還會結合單片機對硬件電路的控制和對數(shù)據(jù)的處理，來闡述液晶是如何 對電池單元實現(xiàn)通訊和監(jiān)控的。 對于一個鋰電池 單元，我們需要采集的數(shù)據(jù)有：蓄電池電壓、蓄電池電流、蓄電池測主 Mos 管電流、直流側電壓、直流側電流、直流側主 Mos 管電流。 單片機 10 位 ADC 采樣，采樣到的數(shù)在單片機中都會轉化成 0— 1023 之間的數(shù)（ 16 進制），即 對應 01023，舉個例子； 例： Ubattery=2V（在采樣上施加的信號）， Ubattery_ADC=1V，對應到單片機的值為 310，再減去零點值 0。 485 在監(jiān)控系統(tǒng)中的作用 本論文中，液晶和單片機通訊選用 RS485 總線通訊，不用 RS232 的原因是，液晶需要和多個電池單元通訊， RS232 只能點對點通訊，而 RS485 可以連成網絡通訊[7]。液晶作為下位機監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，承擔了監(jiān)控兩百個電池單元的重要責任。下表顯示了對液晶的具體要求。 2）液晶不處理數(shù)據(jù)：液晶直接顯示上傳的運行參數(shù)，直接下傳系統(tǒng)參數(shù)（包括調試參數(shù)、修正系數(shù)），不儲存數(shù)據(jù)；單片機進行數(shù)據(jù)處理（修正）。本論文中，電池單元選用的單片機為dispic33F16GS402,其 UxTX 和 UxRX 引腳配置成全雙工 8 位數(shù)據(jù)傳輸 [10]，波特率設 24 置成 9600Baud，信息傳輸速率即比特率為 9600*8=76800b/s。 MCGS 嵌入式組態(tài)軟件的體系結構 MCGS 嵌入式體系結構分為組態(tài)環(huán)境、模擬運行環(huán)境和運行環(huán)境三部分組成 。 25 M C G S實 時 數(shù) 據(jù) 庫 運 行 策 略設 備 窗 口主 控 窗 口系 統(tǒng) 參 數(shù)啟 動 參 數(shù)設 備 構 件 1設 備 構 件 n數(shù) 據(jù) 對 象 啟 動 策 略報 警 處 理存 盤 處 理循 環(huán) 策 略退 出 策 略自 定 義 策 略用 戶 窗 口圖 元動 畫 構 件圖 符... 圖 用戶應用系統(tǒng)結構圖 1）實時數(shù)據(jù)庫相當于一個數(shù)據(jù)處理中心，用來管理所有實時數(shù)據(jù)。下圖為開機初始化時的流程圖。 主菜單界面設計 主菜單界面包括六個子菜單界面。 32 基于 MCGS 的組態(tài)過程和腳本驅動的開發(fā) 上一節(jié)只是介紹了用戶使用的界面和界面的功能，界 面只是最初的一個構思，他為用戶提供窗口，可是界面功能的實現(xiàn)，還需要通過組態(tài)來完成，才能組成一個實際的應用系統(tǒng)，最方便理解的說法就是這個界面想要拿來和單片機通訊，需要再建立一個文件 —— .MDR 文件。界面許多按鍵背后都有程序以執(zhí)行相 33 應的命令，這些命令的實現(xiàn)都要依靠設備命令。 上位機具體實現(xiàn)的功能如下表所示： 表 上位機功能表 開機界面（初始化之前） 1）選擇聯(lián)機設備； 開機初始化之前，上位機先選擇與哪些設備聯(lián)機。 7）運行狀態(tài)； 顯示各個設備中每個電池單元運行狀態(tài)。 PC 機和多個液晶通過路由器相連，構成了一個局域網。 LabVIEW 概述 LabVIEW（ Laboratory Virtural Instrument Engineering）是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受。開關、圖表和其它界面工具，允許用戶通過鍵盤或鼠標獲取數(shù)據(jù)顯示結果。 40 3）主界面 1 圖 主 界面 1 主界面，可以非常直接的觀察到每個設備的每個電池的運行狀況；電池不同的顏色表示不同的運行狀況，設備亮不同的燈也表示不同的運行狀況，當然運行模式有很多種，故障也有很多種，具體用什么顏色表示這里就不贅述了 。 44 結 論 本論文對鋰電池化成電源監(jiān)控系統(tǒng)進行設計，在化成電源硬件電路上討論很少，主要 是 討論如何 設計一個功能完善的監(jiān)控系統(tǒng)。 本論文仍有很多不足之處；液晶 只實現(xiàn)了和各個電池單元的通訊，和遠程服務器的通訊程序并未實現(xiàn)； PC 機的界面雖然有了，但功能不完善，背后的程序沒有實現(xiàn)，遠程監(jiān)控也暫未實現(xiàn)。 感謝能源所杜雪芳老師、潘老師、張健老師在我做畢業(yè)設計中給予的幫助。 最后，我要祝福我的父母和家 人健康快樂。每次遇到疑問，賴老師都會詳細解答。論文的 主要內容是 設計 下位機監(jiān)控系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng) ，以液晶和 PC 機為核心，將它們兩個所承擔的 功能一一描述，界面的設計更是具體說明了監(jiān)控系統(tǒng)在做哪些事情?；?LabVIEW 的上位機監(jiān)控系統(tǒng)可以稱作是一種特殊的虛擬儀器，即網絡化虛擬儀器，采集數(shù)據(jù)的工作不由虛擬儀器完成，脫離了場地的束縛，從而實現(xiàn)遠程化的監(jiān)控。 2）初始化界面 圖 初始化 界面 初始化 界面； 開機對聯(lián)機的設備進行巡檢 ，確認與所連接的設備通信是否良好。前面板可以包含旋鈕。 3） 交換機； 交換機以尋址的方式傳輸數(shù)據(jù)；而集線器是以廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，傳輸速率低，因此這里選擇交換機構成組網設備。液晶可以顯示采集回來的運行參數(shù)，包括各個電池單 元的電池電壓、電池電流等，同時也可以下發(fā)電池單元所需要的系統(tǒng)參數(shù)。 6）參數(shù)設置； 對系統(tǒng)參數(shù)和運行模式進行設置；系統(tǒng)參數(shù)掉電后自動保存。上位機即控制中心 PC 機作為上位 機監(jiān)控系統(tǒng)的核心，能定期查詢所有運行 35 組的監(jiān)測器，下載并處理儲存的數(shù)據(jù)，儲存和顯示電池狀態(tài)及其趨勢的信息，能獲得每一節(jié)電池的運行參數(shù)，及時顯示故障信息等。 上位機監(jiān)控系統(tǒng)架構如下圖所示，每臺化成設備由若干個電池單元組成，電池單元通過 485 通訊 線與設備液晶面板通訊，各設備單元通過以太網與主機連接 [13]。 液晶與各個電池單元的通訊需要遵守一定的通訊協(xié)議，且有一定的數(shù)據(jù)格式；液晶界面只是面向用戶開發(fā)的可視化操作界面，想要實現(xiàn)液晶界面的監(jiān)控能力，必須開發(fā)驅動，而 MCGS 提供了開發(fā)驅動的軟件。 31 4）系統(tǒng)參數(shù)界面 圖 系統(tǒng)參數(shù)界面 系統(tǒng)參數(shù)界面；用戶必須設置電池單元的系統(tǒng)參數(shù)，包括調試系數(shù)和修正