【正文】 erface under the MCGS configuration development environment. And we will also focus on the development of scripts. The paper also gives a detailed PC monitoring system design, and design PC interface for monitoring by using LabVIEW. Keywords: lithium battery； monitor system； LCD； PC； interface 3 1 前 言 研究課題的背景及意義 目前，隨著電池工業(yè)的迅速發(fā)展，對電池產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)的能力及電池的產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求，二次電池的充放電技術(shù)是與電池相伴而生的，與二次電池的發(fā)展和應(yīng)用有著密切的關(guān)系。以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能?？蛻?/服務(wù)器 (C/S)模式，多個客戶 端采集數(shù)據(jù)，用一個服務(wù)器充當(dāng)數(shù)據(jù)庫；瀏覽器 /服務(wù)器 (B/S)模式，客戶端安裝瀏覽器，通過直接訪問遠(yuǎn)端地址，來實現(xiàn)檢測。然后進(jìn)入下一個充放電循環(huán)直至化成結(jié)束 [2]。 液晶 —— 它和兩百多個電池單元進(jìn)行通訊，監(jiān)控每個電池的運(yùn)行狀況，并且還 10 要設(shè)計遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)布程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)寫入 遠(yuǎn)端服務(wù)器。在介紹本章重點(diǎn)內(nèi)容之前，先對電池單元采用的主拓?fù)潆娐纷鰝€簡單介紹 。 （ 3100） *修正系數(shù) /1000=200 ,即 2V 到單片機(jī)中上傳給液晶的數(shù)必須是 200，這是個修正的過程。 本論文的液 晶顯示界面采用組態(tài)軟件 MCGS 的嵌入版進(jìn)行設(shè)計，通訊采用最常用的 RS485。 3）傳遞的數(shù)據(jù)有一定的格式： 23 包 長F E H F E H F E H F E H包 頭0 4 H站 點(diǎn) 號 序 號 命 令 碼 校 驗 碼或 包 長F E H F E H F E H F E H包 頭0 6 H站 點(diǎn) 號 序 號 命 令 碼 校 驗 碼參 數(shù) 低 字 節(jié) 參 數(shù) 高 字 節(jié) 圖 液晶和單片機(jī)傳遞的 數(shù)據(jù)格式圖 4）站點(diǎn)號 — 識別具體電池單元 命令碼 — 區(qū)分是否需要存儲數(shù)據(jù)（ 0x11H 只顯示， 0x50H 存儲數(shù)據(jù)） 序列號 — 具體變量名稱 總結(jié)：結(jié)合以上幾點(diǎn)說明，可以發(fā)現(xiàn)，液晶需要要顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)時，就發(fā)包頭為 04H、命令碼為 0x11H 的數(shù)據(jù)包；單片機(jī)回包頭 06H、對應(yīng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的高低字節(jié)的數(shù)據(jù)包；同樣，下發(fā)系統(tǒng)參數(shù)或開關(guān)機(jī)命令，就下發(fā)包頭為 06H 的數(shù)據(jù)包；單片機(jī)收到數(shù)據(jù)，同樣要回包頭為 04H 的數(shù)據(jù)包。 組態(tài)環(huán)境和模擬運(yùn)行環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，可以在 PC 機(jī) 上運(yùn)行。 26 開 始初 始 化 自 檢 界 面判 斷 與 2 0 0 個 電 池 通訊 是 否 正 常初 始 化 參 數(shù) 比 較界 面是 ， 通 訊 均 正 常是 否 重 新 初 始 化否 ， 有 1 個 或 多 個電 池 通 訊 故 障否是比 較 液 晶 存 儲 的 系 統(tǒng) 參 數(shù) 與單 片 機(jī) 的 系 統(tǒng) 參 數(shù) 是 否 相 同主 機(jī) 覆 蓋 從 機(jī)選 擇 參 數(shù) 覆 蓋 方式從 機(jī) 覆 蓋 主 機(jī)進(jìn) 入 液 晶 主 菜 單是否液 晶 開 機(jī) 主 界 面 圖 開機(jī)初始化流程圖 27 1） 液晶 開機(jī) 主界面 圖 液晶 開機(jī) 主界面 開機(jī)后進(jìn)入 液晶主界面 ，點(diǎn)擊“進(jìn)入”會跳入初始化界面。在組態(tài)軟件里建立的用戶界面產(chǎn)生的是． MCE 文件，這個文件在液晶可以獨(dú)立運(yùn)行，但是現(xiàn)在需要液晶和下面的單片機(jī)進(jìn)行通訊，所以需要開發(fā)腳本驅(qū)動（ .MDR 文件）。 電池運(yùn)行狀態(tài)有三種 —— 運(yùn)行 正常、運(yùn)行故障、未連接；運(yùn)行正常有好幾種模式，故障有不同的故障，用不同的顏色加以區(qū)分。 LabVIEW 采用圖形化編程語言 —— G 語言。 菜單欄包括通訊設(shè)置、初始設(shè)置、啟?？刂?、故障顯示、數(shù)據(jù)文件。 45 謝 辭 本論文是在導(dǎo)師蘇建徽教授的悉心指導(dǎo)下完成的。還要感謝我的另一半，我們走過兩年時光，有你的陪伴很幸福。在介紹 485 通訊電路時，結(jié)合單片機(jī)的控制解釋數(shù)據(jù)傳遞的過程。點(diǎn)擊進(jìn)入，進(jìn)入初始化界面。上圖的右圖為液晶網(wǎng)口放大圖， LAN 的接口為 RJ45 接口 DCE 類型：被動通信設(shè)備 。 如果是上位機(jī)控制，可以選擇設(shè)備群控還是設(shè)備個控，設(shè)備群控就是幾個設(shè)備一起控制，但這種情況下每個設(shè)備也可以單獨(dú)的停機(jī)；設(shè)備個控就是每個設(shè)備單獨(dú)控制； 無論是設(shè)備群控還是設(shè)備個控，每個設(shè)備的每 個電池都能單獨(dú)控制，也可以選擇某些電池一起控制。那么對處在網(wǎng)絡(luò)終端的上位機(jī)便提出了更高的要求。 3）實時曲線界面 圖 實時曲線界面 實時曲線界面；可以顯示某個電池單元的某個運(yùn)行數(shù)據(jù)的實時曲線。 5）運(yùn)行策略是對系統(tǒng)運(yùn)行流程實現(xiàn)有效控制的手段。應(yīng)用 MCGS 嵌入式組態(tài)軟件開發(fā)出來的應(yīng)用系統(tǒng)適用于對功能 、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性能有嚴(yán)格要求的專門計算機(jī)系統(tǒng)。使用時須設(shè)置好恒壓充電、恒流充電、放電相關(guān)參數(shù)，此外還需設(shè)置擱置時間和循環(huán)充放電次數(shù)。 本章總結(jié)： 對于監(jiān)控系統(tǒng)來說，采樣是十分重要的，數(shù)據(jù)從電池單元一直到液晶顯示是如何傳遞的，它在傳遞過程中發(fā)生了哪些變化 ,都是需要 了解 的 。 18 5） Mos 管 1 電流采樣： 表 Mos 管 1 電 流采樣 實 驗結(jié)果 CT1 iQ1_ADC U1 變比 50mV 50mV 結(jié)論： ???CTU ，基本滿足變比 6） Mos 管 2 電流采樣： 表 Mos 管 2 電 流采樣 實驗結(jié)果 CT2 iQ2_ADC U1 變比 100mV 624mV 100mV 565mV 結(jié)論： 0 06 2 421 ??? mVmVCTU ，基本滿足變比 表 理論變比和實驗 變比 對比 理論變比（采樣電路輸出 /輸入） 實驗結(jié)果 電池電壓 電池電流 20 直流側(cè)電壓 1/61 1/ 直流側(cè)電流 Mos 管 1 21 Mos 管 2 由表中數(shù)據(jù)可知， 所要采樣的六組數(shù)據(jù)，其采樣電路的理論變比和實際變比基本符合。三是選擇了一種非常靈活的結(jié)構(gòu)模式，對液晶和 PC 機(jī)提出了很高的要求，在此，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)便有了明確的設(shè)計方向。 在網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)中，結(jié)合具體的化成要求和實際操作的可行性，這里選擇客戶 /服務(wù)器 (C/S)模式 。 U S B 轉(zhuǎn) 4 8 5 圖 化成電源 監(jiān)控 系統(tǒng)架構(gòu)圖 下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心為液晶，一臺液晶和兩百多個電池單元構(gòu)成一個設(shè)備，由液晶監(jiān)控這個設(shè)備中的所有電池單元，通過 RS485 通訊。這層鈍化膜被稱為 “ 固體電解質(zhì)界面膜 ” ( solid electrolyte interface) ,簡稱 SEI 膜，SEI 膜的好壞自接影響到電池的循環(huán)壽命、穩(wěn)定性、自放電性、安全性等電化學(xué)性能。但由于微處理器的運(yùn)算速度的限制，在許多情況下，這種微處理器輔助的電路控制系統(tǒng)仍舊要大量用到運(yùn)算放大器等模擬控制元件。用戶可通過鼠標(biāo)、鍵盤或觸摸屏來操作虛擬面板，就如同使用一臺專用的測量儀器一樣，實現(xiàn)需要的測量測試目的。 本論文基于兩種界面開發(fā)軟件，分別設(shè)計上位機(jī)和下位機(jī)的監(jiān)控界面。 在鋰電池生產(chǎn)過程中，電池的化成工藝處理是其中的一個重要環(huán)節(jié)，鋰電池的化成參數(shù)一般經(jīng)過理論計算和反復(fù)試驗而得到。 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器 —— 網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，將三大功能中的數(shù)據(jù)分析和處理、測量結(jié)果的顯示放到計算機(jī)上用軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)可以對每個設(shè)備的每個電池單元實時測控，顯示化成過程中的運(yùn)行參數(shù)，電壓電流波形；可以對故障進(jìn)行報警，顯示故障信息；同時液晶和 PC 機(jī)的監(jiān)控界面也是必不可少。 3）設(shè)定幾種運(yùn)行模式下，電池單元所需要的參數(shù)； 如恒流充電模式下，電池單元需要知道恒流充電電流是多少，充電截止電壓是多少。 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案 1）單片機(jī)程序：采用 MPLAB 編程。 14 圖 單片機(jī) 結(jié)構(gòu) 圖 采樣電路設(shè)計 本節(jié)先對采樣硬件電路進(jìn)行設(shè)計，然后計算電路的理論變比，再和實驗得到的結(jié)果進(jìn)行比較，最后介紹修正系數(shù) [6]的作用。 20 圖 485 通訊電路 1 腳和 4 腳分別連接單片機(jī)的接收和發(fā)送引腳， 6 腳和 7 腳與液晶相連。顯示具體單元及故障類別； 鋰電池化成電源的主要工作模式有四種，即恒流充電模式、恒壓充電模式、恒流放電模式、智能循環(huán)充放電模式 [8]。 2）總線容量： RS485 接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般是兩線制，任一時刻主從只能一個發(fā)；電池單元的站地址采樣 8 為二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼，通訊方式以主機(jī)輪詢的方式進(jìn)行，液晶作為該網(wǎng)絡(luò)中的唯一一臺主機(jī)（只允許存在一個主設(shè)備），最多可同時連接 256 個從機(jī)，即 256 個電池單元。從而實現(xiàn)了控制系統(tǒng)可靠性、實時性、確定性和安全性。 4） 參數(shù)覆蓋界面 圖 參數(shù)覆蓋界面 用戶可以選擇參數(shù)覆蓋方式為主機(jī)覆蓋從機(jī)或從 機(jī)覆蓋主機(jī)。 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(qū)動，而 MCGS 提供了開發(fā)驅(qū)動的軟件。上位機(jī)即控制中心 PC 機(jī)作為上位 機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，能定期查詢所有運(yùn)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(yùn)行參數(shù)，及時顯示故障信息等。液晶可以顯示采集回來的運(yùn)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)。前面板可以包含旋鈕。基于 LabVIEW 的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以稱作是一種特殊的虛擬儀器，即網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程化的監(jiān)控。每次遇到疑問，賴?yán)蠋煻紩敿?xì)解答。 感謝能源所杜雪芳老師、潘老師、張健老師在我做畢業(yè)設(shè)計中給予的幫助。 44 結(jié) 論 本論文對鋰電池化成電源監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，在化成電源硬件電路上討論很少，主要 是 討論如何 設(shè)計一個功能完善的監(jiān)控系統(tǒng)。開關(guān)、圖表和其它界面工具，允許用戶通過鍵盤或鼠標(biāo)獲取數(shù)據(jù)顯示結(jié)果。 PC 機(jī)和多個液晶通過路由器相連，構(gòu)成了一個局域網(wǎng)。 上位機(jī)具體實現(xiàn)的功能如下表所示： 表 上位機(jī)功能表 開機(jī)界面（初始化之前） 1）選擇聯(lián)機(jī)設(shè)備； 開機(jī)初始化之前，上位機(jī)先選擇與哪些設(shè)備聯(lián)機(jī)。界面許多按鍵背后都有程序以執(zhí)行相 33 應(yīng)的命令，這些命令的實現(xiàn)都要依靠設(shè)備命令。 主菜單界面設(shè)計 主菜單界面包括六個子菜單界面。 25 M C G S實 時 數(shù) 據(jù) 庫 運(yùn) 行 策 略設(shè) 備 窗 口主 控 窗 口系 統(tǒng) 參 數(shù)啟 動 參 數(shù)設(shè) 備 構(gòu) 件 1設(shè) 備 構(gòu) 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(gòu) 件圖 符... 圖 用戶應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1）實時數(shù)據(jù)庫相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)處理中心，用來管理所有實時數(shù)據(jù)。本論文中，電池單元選用的單片機(jī)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(shè) 24 置成 9600Baud，信息傳輸速率即比特率為 9600*8=76800b/s。下表顯示了對液晶的具體要求。 485 在監(jiān)控系統(tǒng)中的作用 本論文中，液晶和單片機(jī)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(diǎn)對點(diǎn)通訊，而 RS485 可以連成網(wǎng)絡(luò)通訊[7]。 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(cè)電壓、直流側(cè)電流、直流側(cè)主 Mos 管電流。還有，單片機(jī)保護(hù)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(dāng)電池單元出現(xiàn)某種故障時，也需要單片機(jī)進(jìn)行判斷，并將帶有故障信息的 16 為故障碼上傳。 5）故障報警的功能。 2）對監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行設(shè)計，主要設(shè)計的是采樣電路和 485 通訊電路。這也是本論文采取的方式。并且，我們需要實時監(jiān)控電池的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)化成出現(xiàn)故障時需要及時報警，并且顯示具體故障信息。 將多個獨(dú)立的充電系統(tǒng)連成網(wǎng)絡(luò)，就可以完成對大批量的鋰電池化成的監(jiān)控。