CN105510841A - 一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统及方法 - Google Patents

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陈俊
李俊
高怀宁
张艾群
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements

Abstract

本发明公开了一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统，包括电源模块、防倒流滤波模块、保护模块，电量检测模块，DC/DC转换器阵列和ARM主控模块，DC/DC转换器阵列包括若干个DC/DC转换开关电源，每个DC/DC转换开关电源连接对应的外围设备，电源模块输出的电压依次经过防倒流滤波模块和保护模块处理后输出稳定电压给电量检测模块，电量检测模块用于检测电压信号并计算出电源模块的剩余电量值，后将剩余电量值发送给ARM主控模块；ARM主控模块根据剩余电量值控制开启或关闭DC/DC转换开关电源。本发明系统能够在线实时监测电源电量，通过对电源的使用情况进行实时的检测与记录，提高水下设备电源使用的安全性。

Description

一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统及方法
技术领域
本发明涉及水下设备维护领域，尤其涉及一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统及方法。
背景技术
目前对于大多数水下无缆的装备，其能源的供给多数是通过自带电池的方式解决，虽然电池在出厂时均带有保护模块，可以有效防止电池过放电，但是无法对电池电量的使用情况进行实时监测和记录。
一方面，水下装备的上电/掉电方式大多数是通过外接水密插头的插拔方式实现的，在插拔的瞬间会产生很大的瞬时电压和浪涌电流，如果不对这瞬间的浪涌电压和电流进行处理或限制，那么其对系统硬件的损害不可估量，严重时会直接烧坏系统硬件。
另外，对于大型水下装备，当其搭载的外围设备较多时，所需要的电源种类也各不相同，对于同种电源规格需求的设备，传统的做法是单路电源供电并通过多路开关控制给多个设备供电，但这种方法容易在设备间产生串扰，因为某一设备在开与关的瞬间会对其它设备产生影响。
因此，一种能够在线监测和管理水下设备电源电量的系统研发尤显重要。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统，解决了水下设备电源使用存在的安全问题。
本发明采用的技术手段如下：一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统，包括电源模块、防倒流滤波模块、保护模块，电量检测模块，DC/DC转换器阵列和ARM主控模块，其中，防倒流滤波模块、保护模块，电量检测模块，DC/DC转换器阵列和ARM主控模块连接，所述DC/DC转换器阵列包括若干个DC/DC转换开关电源，每个DC/DC转换开关电源连接对应的外围设备，电源模块输出的电压依次经过防倒流滤波模块和保护模块处理后输出稳定电压给电量检测模块，电量检测模块用于检测电压信号并计算出电源模块的剩余电量值，后将剩余电量值发送给ARM主控模块；ARM主控模块根据剩余电量值控制开启或关闭DC/DC转换开关电源。
优选地，防倒流滤波模块包括单向二极管和LC滤波电路。
优选地，保护模块包括LM5069控制芯片和外围电路，LM5069控制芯片提供高低压保护、过流保护和电源缓启动保护，所述外围电路包括电容C1、电容C2、TVS管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和控制开关Q1。
优选地，电量检测模块包括采样电阻、电流检测芯片和采样单片机，电流检测芯片检测采样电阻两端的电压，经内部处理放大后输出模拟电压，此模拟电压输入到采样单片机的ADC端口，采样单片机经过计算将此模拟电压转换为剩余电量值，再输出给ARM主控模块。
优选地，DC/DC转换开关电源包括第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器，第一DC/DC转换器输出直流高电压；第二DC/DC转换器输出直流低电压。
另一方面，一种在线监测和管理水下设备电源电量的方法，包括以下步骤：
输出电压信号；
对电压信号进行滤波和防倒流；
对电压信号进行高低压保护、过流保护、电源缓启动保护；
检测电压信号并计算转换成剩余电量值；
根据剩余电量值的大小发出控制指令；当剩余电量值大于或等于阈值时，开启对应的DC/DC转换开关电源，外围设备正常工作；当剩余电量值小于阈值时，关闭对应的DC/DC转换开关电源，全部或部分外围设备停止工作。
采用本发明所提供的一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统，能够在线实时检测电源电量，通过对电源的使用情况进行实时的检测与记录，提高水下设备电源使用的安全性。
进一步，该系统引入滤波防倒流模块和保护模块两种保护，第一级保护为防倒流滤波电路，通过第一级保护后，浪涌电流和瞬时高压得到了一定的抑制，第二级保护模块提供过流、高压、低压保护和缓启动功能，确保输入到后续电路的直流电源是绝对安全。
进一步地，该系统引入DC/DC转换器阵列，输出多路直流电源接口，给外围连接设备独立供电，每一路DC/DC转换器对应于一个外围设备，设备之间互相隔离，减少串扰。
附图说明
图1为实施例1的一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统结构示意图；
图2为实施例1的保护模块3的电路图；
图3为实施例1的电量检测模块4的电路图；
图4为实施例1的DC/DC转换器阵列5的电路图；
图5为本发明的一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统的工作流程图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1:
请参考图1，一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统，包括电源模块1、防倒流滤波模块2、保护模块3，电量检测模块4，DC/DC转换器阵列5和ARM主控模块6，防倒流滤波模块2、保护模块3，电量检测模块4，和ARM主控模块6连接，DC/DC转换器阵列5还分别ARM主控模块6和外接设备7连接。
防倒流滤波模块2将电源输出的电压过滤，防倒流处理，防倒流滤波模块由单向二极管、LC滤波电路组成。由LC组成的滤波电路可以很有效的对插拔瞬间产生的高频噪声、浪涌电流、瞬时高压进行一定的抑制，无论是高频噪声还是瞬时高压均属于高频信号，其频率成分多为10MHZ以上，同时为了保证系统有较好的动态响应，选取L值为10uH，C值为100uF，其谐振频率为5KHZ左右，大于这个频率的信号可以得到一定的抑制。
请参考图2，保护模块3由LM5069控制芯片和外围电路组成，当电源电压经过防倒流滤波模块之后，再经过电容C1滤波和TVS管D1过压保护，TVS管D1为瞬态抑制二极管，当发生过压时，利用雪崩击穿原理，将高阻变成低阻，吸收浪涌功率，从而保护电子线路的元器件，本发明选用的TVS管型号为SMAJ51A,其钳位电压约为80v，最后经过LM5069控制芯片后输出稳定的电压，LM5069控制芯片可以提供高低压保护、过流保护、电源缓启动功能，电源电压经过保护模块后可以有效的消除掉上电和掉电过程中产生的瞬时高压和浪涌电流对设备的影响。其中C2为缓启动时间调节电容，通过改变C2的容值设定保护模块缓启动时间，R1、R2、R3组成的分压电阻网络用于设定高压保护值和低压保护值，R4为过流检测电阻，Q1为控制开关，当系统工作正常时，Q1打开，当出现过压、低压和过流等异常情况时，Q1关闭，在电压和电流恢复正常后，经过一定延时，Q1重新打开。
请参考图3，电量检测模块4主要由采样电阻R5、电流检测芯片MAX4080、采样单片机组成，具体实施时，电流检测芯片MAX4080通过检测采样电阻R5两端的电压，经内部处理放大后输出模拟电压，此模拟电压再输入到采样单片机的ADC端口，单片机经过计算将此模拟电压转换为相应的消耗的电量值，再通过RS232串口输出给ARM主控系统。采样单片机为MEGA16单片机。电量检测模块通过测量采样电阻R1两端的电压值来计算出电池电量的实际使用情况，并将剩余电量通过RS232串口发送给ARM主控模块
请参考图4，DC/DC转换器阵列5是由若干个DC/DC开关电源芯片组成，可分为两级电压输出，由DC/DC转换器LM5069组成的第一级转换为直流高电压输出，如24v或12v，可给高电压设备供电。由DC/DC转换器TPS54335组成的第二级转换为低电压直流输出，可给低电压设备或系统内部供电，如3V或6V。每一路电源开关只给一个外围设备供电，即每个外围设备之间互相独立，互不干扰。且每一路开关电源的开启或关闭由ARM主控系统发出的控制信号控制。
ARM主控模块5主要负责整个系统端口的控制，信息的采集和存储与上传。具体实施时，电量检测模块将剩余电量信息按照规定的格式通过RS232串口发送给ARM主控系统，ARM主控模块将接收到的信息存在本地SD卡里，再通过网络上传。同时，ARM主控模块通过I/O总线控制DC/DC转换器阵列的开启和关闭，ARM主控模块的I/O端口通过I/O驱动电路与DC/DC转换器阵列里的DC/DC开关电源芯片的输入端口连接。
如图5，一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统的工作流程，其特征在于：包括以下步骤：
输出电压信号；
对电压信号进行滤波和防倒流；
对电压信号进行高低压保护、过流保护、电源缓启动保护；
检测电压信号并计算转换成剩余电量值；
根据剩余电量值的大小发出控制指令；当剩余电量大于或等于阈值时，开启对应的DC/DC转换开关电源，外围设备正常工作；当剩余电量小于阈值时，关闭对应的DC/DC转换开关电源，全部或部分外围设备停止工作。
综上所述，采用本发明所提供的一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统，具有几大优点：
(1)能够在线实时检测电源电量，通过对电源的使用情况进行实时的检测与记录，当电源在使用过程中出现问题或者某一负载出现故障导致电量消耗过快时，均可记录下来，甚至发出报警信号。
(2)引入滤波防倒流模块和保护模块两种保护，第一级保护为防倒流滤波电路，通过第一级保护后，浪涌电流和瞬时高压得到了一定的抑制，若没有第一保护，则上电时产生的瞬时高压有可能会直接打坏保护模块里的保护芯片；第二级保护模块提供过流、高压、低压保护和缓启动功能，确保输入到后续电路的直流电源是绝对安全的。总而言之，通过限制系统在上电和掉电过程中产生的浪涌电流和瞬时高压，大大提高了系统的可靠性。
(3)引入DC/DC转换器阵列，输出多路直流电源接口，给外围连接设备独立供电，每一路DC/DC转换器对应于一个外围设备，设备之间互相隔离，减少串扰。另外，选用不同型号的DC/DC转换器，可高压或低压直流输出。
(4)ARM主控模块控制操作简单，负责系统的全局控制，包括DC/DC转换器阵列输入端口的控制，电量信息的接收与上传。
(5)本发明系统所有元器件均经过压力测试，可耐高压，可稳定运用于全海深领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统，其特征在于：包括电源模块、防倒流滤波模块、保护模块，电量检测模块，DC/DC转换器阵列和ARM主控模块，其中，防倒流滤波模块、保护模块，电量检测模块，DC/DC转换器阵列和ARM主控模块连接，所述DC/DC转换器阵列包括若干个DC/DC转换开关电源，每个DC/DC转换开关电源连接对应的外围设备，所述电源模块输出的电压信号依次经过防倒流滤波模块和保护模块处理后输出稳定电压给电量检测模块，所述电量检测模块用于检测电压信号并计算出电源模块的剩余电量值，后将剩余电量值发送给ARM主控模块；所述ARM主控模块根据剩余电量值控制开启或关闭DC/DC转换开关电源。
2.根据权利要求1所述的一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统，其特征在于：所述防倒流滤波模块包括单向二极管和LC滤波电路。
3.根据权利要求1所述的一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统，其特征在于：所述保护模块包括LM5069控制芯片和外围电路，所述LM5069控制芯片提供高低压保护、过流保护和电源缓启动保护，所述外围电路包括电容C1、电容C2、TVS管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和控制开关Q1。
4.根据权利要求1所述的一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统，其特征在于：所述电量检测模块包括采样电阻、电流检测芯片和采样单片机，电流检测芯片检测采样电阻两端的电压，经内部处理放大后输出模拟电压，此模拟电压输入到采样单片机的ADC端口，采样单片机经过计算将此模拟电压转换为剩余电量值，再输出给ARM主控模块。
5.根据权利要求1所述的一种在线监测和管理水下设备电源电量的系统，其特征在于：所述DC/DC转换开关电源包括第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器，第一DC/DC转换器输出直流高电压；第二DC/DC转换器输出直流低电压。
6.一种在线监测和管理水下设备电源电量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
输出电压信号；
对电压信号进行滤波和防倒流；
对电压信号进行高低压保护、过流保护、电源缓启动保护；
检测电压信号并计算转换成剩余电量值；
根据剩余电量值的大小发出控制指令；当剩余电量值大于或等于阈值时，开启对应的DC/DC转换开关电源，外围设备正常工作；当剩余电量值小于阈值时，关闭对应的DC/DC转换开关电源，全部或部分外围设备停止工作。
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