CN107168148A - 一种锂电池数据采集装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力电池领域，公开了一种锂电池数据采集装置及系统。装置包括数据采集模块、控制模块、数据传输模块、电源模块和人机交换模块；数据采集模块采集锂电池参数和所在地环境参数；控制模块控制其他模块工作；数据传输模块通过GPRS无线网络进行数据的无线传输。系统与装置配合使用，具有不同的功能单元，控制相应的硬件结构行使不同的功能。系统包括数据采集服务单元、数据监测服务单元、通讯服务单元、系统功耗调理服务单元、嵌入式实时操作单元。本发明不受地理环境制约，监测锂电池状态和周围环境变化，监测数据定期上传到服务器中，监测到异常情况时报警。本发明结构简单，安装方便，可以远程调试，节省了人力物力和用户的时间。

Description

一种锂电池数据采集装置及系统

技术领域

本发明涉及动力电池领域，尤其涉及了一种锂电池数据采集装置及系统。

背景技术

自动化测控技术在传统工业中的应用主要是利用单片机等微处理器通过串口与上位机实现通信，这种方式在数据传输距离上有很大的限制。而且，传统工业中的数据传输主要依赖于有线传输的方式，但无论是RS485或者RS232总线，还是因特网等通信方式，都会在很大程度上受地理位置和环境因素的制约。常见的远程数据传输方式主要有利用低压电力线载波、利用无线电台以及利用移动通信网络等几种方式。其中，利用低压电力线载波的方式使用较为方便快捷，但是目前电力网污染还较为严重，而且电网干扰特性不能通过特定的模型或者公式进行解析。利用无线电台进行数据传输，虽然理论上可行，但是每一个通道都需要使用一个单独的频率，造成极大的资源浪费，也不宜推广使用。而利用移动通信网络，可以很方便快捷的进行数据的远程无线传输，而且我国移动网络覆盖面积广、资费低廉、应用方便，特别适用于应用场合不固定的设备作为数据远程传输的手段。

发明内容

本发明针对现有技术中数据传输过程制约条件多，传输质量差的缺点，提供了一种锂电池数据采集装置及系统。

本发明解决了数据传输过程制约条件多，传输质量差的问题，本设计方案利用了GPRS网络，代替了原有的有线连接方式，使得数据传输不再受到地理条件制约，另外直接利用覆盖面广的基站信号进行传输，不用再增设电台或者占用固定频率波段，节省了人力物力资源。其次，基站信号网络发展成熟，传输过程稳定快捷，保证了数据在传输过程中的完整性和正确性。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种锂电池数据采集装置，与锂电池和锂电池外部的环境检测元件连接，包括数据采集模块、控制模块、数据传输模块、电源模块和人机交换模块；数据采集模块采集锂电池参数和锂电池所在地环境参数；控制模块控制数据采集模块、数据传输模块和人机交换模块工作；电源模块进行供电，人机交换模块用于输入和显示数据；数据传输模块负责不同模块之间的数据传输过程，以及通过GPRS无线网络进行数据的无线传输。

GPRS网络基于手机信号基站建立，基站数量众多，覆盖面广，使得数据传输不再受到地理条件制约。直接利用基站传输数据，不用再增设电台或者占用固定频率波段，节省了人力物力资源。基站信号稳定，强度大，保证了数据在传输过程中的完整性和正确性。

作为优选，数据采集模块包括电源电压转换电路和信号调理电路，信号调理电路包括正脉冲调幅电路和负脉冲调幅电路，正脉冲调幅电路通过感性元件对采集的正脉冲信号进行滤波，负脉冲调幅电路通过感性元件对采集的负脉冲信号进行滤波。

信号调理电路主要实现对模拟信号进行滤波处理和对脉冲信号进行调幅处理。由于系统所采集的模拟信号主要为直流信号，因此利用感性元件对其掺杂的交流信号进行滤除。

作为优选，控制模块包括ARM控制电路和调试接口电路，调试接口电路包括电池预警电路和I/V转换电路；其中，电池预警电路包括二极管、分压电阻和超级电容，两个二极管反向并联后一端与锂电池正极连接，另一端与超级电容正极连接，超级电容负极接地；分压电阻串联在锂电池正极和接地端之间，分压后的电压信号送入ARM控制电路。

二极管用于在锂电池电压变化时对电路进行相应的通断控制，锂电池电压正常时，超级电容进行充电，当锂电池电量不足导致电压降低时，超级电容进行放电，为电路提供应急电源。分压后的电压信号送入ARM控制电路，由控制电路判断电池电量情况，超级电容开始放电后，电压信号也发生改变，ARM控制电路做出响应。

作为优选，ARM控制电路包括单片机和内存存储电路，单片机接收各模块数据并根据接收到的数据做出响应；内存存储电路与单片机连接。单片机接收到大量采集到的数据，本身的存储空间不能满足要求，需要另外连接外部内存来进行数据存储。

作为优选，数据传输模块包括无线数据传输电路和有线数据传输电路；无线数据传输电路包括GPRS封装元件和SIM卡电路，GPRS封装元件分别与SIM卡电路和控制模块连接；GPRS封装元件连接有GSM信号天线并通过天线进行无线数据传输；有限数据传输电路包括RS485总线。

GPRS封装元件具有模拟接口、数字接口、模拟基带、数字基带以及射频发射元件，射频发射元件与与相应的信号发射天线连接。该元件与SIM电路连接，用于接入GPRS网络进行无线数据传输。

作为优选，人机交互模块包括LCD显示电路和键盘输入电路；LCD显示电路包括LCD显示屏和LCD驱动电路，LCD驱动电路分别与LCD显示屏和控制模块连接，接收控制模块数据并根据接收到的数据控制LCD显示屏工作。

为了节省ARM控制电路单片机引脚，更合理的规划电路板上空间，本发明选择通过另加增加LCD驱动电路来驱动LCD显示屏，而非直接使用单片机上自带的液晶驱动。这样设计能够使产品布线更加灵活。

一种基于上述装置的锂电池数据采集系统，分别与预先设置的远程服务器、PC机和用户手机进行数据传输，包括

数据采集服务单元，采集脉冲数字信号、模拟电压信号和锂电池所在地环境参数，将采集到的数据传输至嵌入式实时操作单元；

数据监测服务单元，监测数据采集服务单元采集到的数据，当采集到的数据低于或高于设定的阈值时，报警；

通讯服务单元，提供系统在线调试、远程数据传输和模块信息配置服务；

系统功耗调理服务单元，动态管理系统运行状况，实现系统功耗和效率的最优化；

嵌入式实时操作单元，控制数据采集服务单元、数据监测服务单元、通讯服务单元和系统功耗调理服务单元工作，接受上述单元数据并作出响应。

本系统与本发明硬件装置配合使用，系统预先安装在ARM电路单片机内，按照功能划分出不同的功能单元，使用时控制相应的硬件结构完成不同的操作。

作为优选，数据监测服务单元包括远程报警模块和阈值设置模块，远程报警模块在数据采集服务单元采集到的数据低于或高于设定的阈值时，向嵌入式实时操作单元发送报警信号；阈值设置模块接收PC机指令并根据接收到的指令修改数据阈值。

报警功能能够及时的向用户报告锂电池的可能存在的故障，有效地控制了故障影响范围。通过系统进行第一轮的监测，能够为用户节省精力和时间，不需要一直观察数据变化。

作为优选，通讯服务单元包括GPRS网络模块、RS485总线模块和短信息网络模块，GPRS网络模块通过GPRS信号和远程服务器进行通讯，RS485总线模块通过硬件端口与PC机进行通讯，短信息网络模块通过基站信号与用户手机进行短信息通讯。GPRS网络模块用于进行远程无线数据传输，RS485总线模块用于进行装置内部数据传输，短信息网络模块用于进行接收用户手机短信。

作为优选，嵌入式实时操作单元接收数据采集服务单元数据并对其进行整合后，通过通讯服务单元将整合后的数据发送至远程服务器或者PC机；嵌入式实时操作单元接收数据监测服务单元报警信号，通过通讯服务单元将报警信号发送至PC机。用户远程监控锂电池运行状况，以及锂电池周围环境变化，及时的对锂电池进行维修和更换，以及更新锂电池外其它附属设备。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本发明能够有效监测锂电池状态和锂电池周围环境变化，监测数据定期稳定完整的自动上传到服务器中，本发明能及时检测到异常情况并迅速向用户进行报警，便于尽早排除故障，减少损失。本发明结构简单，安装方便，可以远程进行调试，节省了大量的人力物力，节省了用户的时间。

附图说明

图1是本发明实施例1的硬件结构示意图。

图2是本发明实施例1电池预警电路示意图。

图3是本发明实施例1I/V转换电路示意图。

图4是本发明实施例1正脉冲调幅电路示意图。

图5是本发明实施例1负脉冲调幅电路示意图。

图6是本发明实施例1内存存储电路示意图。

图7是本发明实施例1SIM卡电路示意图。

图8是本发明实施例1RS485总线电路示意图。

图9是本发明实施例1LCD驱动电路示意图。

图10是本发明实施例1系统示意框图。

图11是本发明实施例1数据采集服务流程图

图12是本发明实施例1短消息通讯服务流程图

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，一种锂电池数据采集装置，与锂电池和锂电池外部的环境检测元件连接，包括数据采集模块、控制模块、数据传输模块、电源模块和人机交换模块。数据采集模块包括电源电压转换电路和信号调理电路；控制模块包括ARM控制电路和调试接口电路；数据传输模块包括无线数据传输电路和有线数据传输电路；电源模块包括开关电源电路和线性电源电路；人机交互模块包括LCD显示电路和键盘输入电路。

如图2所示，电池预警电路包括二极管、分压电阻和超级电容，两个二极管反向并联后一端与锂电池正极连接，另一端与超级电容正极连接，超级电容负极接地；分压电阻串联在锂电池正极和接地端之间，分压后的电压信号送入ARM控制电路。本实施例中，锂电池输出电压为7.2V，D1、D2为两个正向导通压降为0.2V的1N5819型号二极管，保证了超级电容正极电压不高于7V，由于ARM控制电路中单片机的ADC处理不了这么高的电压，因此本发明利用R2、R3两个分压电阻对其进行分压，这样就保证送入ADC的电压在可处理范围内。当电池掉电以后，“7.2V”信号低于6.8V以后，二极管D2就会导通，超级电容开始放电供系统使用。同时，ADC14采集到的电压也会发生变化，然后单片机根据ADC14采集到的电压数据来判断这一动作，当判定结束以后控制无线数据传输模块发送预设置好的更换电池请求的短信，然后对整个数据传输模块进行关机处理。

如图3所示，假设输入电流为I0，输出电压为V0。由于输入是电流信号，而且可以认为运算放大器同向端输入阻抗远大于电阻R7，即流入运算放大器的电流可以忽略不计。那么，根据基尔霍夫节点电流法，所有电流都经过电阻R7，那么电阻R7对运放同向端的电压就有一个确定的作用，即Vin+＝I0×R7。然后，当运算放大器为理想状态时，可以推导出以下公式：Uo＝I0×R7。

这样，图3所示电路就实现了电流信号到电压信号的转换。由于转换得到的电压信号需要由微处理器进行AD转换，而本实施例中选用的是3.3V供电的ARM微处理器，其内置ADC可处理电压范围也不得高于3.3V。同时，电流输入范围为4mA至20mA，因此取电阻R7的值为150Ω，这样I/V转换后的电压范围在0.6至3V，满足AD转换的电压范围。对于系统而言，只需对AD采样得到的电压值进行换算即可得到所采集的电流值。

如图4和图5所示，本发明中信号调理电路主要是实现以下两个功能：对模拟信号进行滤波处理、对脉冲信号进行调幅处理。由于系统所采集的模拟信号主要为直流信号，因此本发明利用感性元件对其掺杂的交流信号进行滤除。本发明所采集的脉冲信号有正脉冲和负脉冲两种，因此信号调理电路包括正脉冲调幅电路和负脉冲调幅电路，正脉冲调幅电路通过感性元件对采集的正脉冲信号进行滤波，负脉冲调幅电路通过感性元件对采集的负脉冲信号进行滤波。

如图6所示，ARM控制电路包括单片机和内存存储电路，内存存储电路与单片机连接，用于存储数据。本实施例中单片机采用STM32系列单片机的STM32L152型号。由于使用的单片机内部FLASH空间仅为128KB，而要达到对数据进行保存的目的，对存储空间的拓展是必要的。在众多存储器中FLASH的开发最为方便，而且同等存储空间下FLASH芯片体积更小价格更优，即使其数据写入速度不及EEPROM，但依然可以满足本发明的使用需求。因此，本发明选用FLASH作为单片机的外部存储器，本实施例中选用的FLASH芯片SST25VF080B是一款内存为8MB的SPI串行闪存，该芯片构成简单开发便捷，采用串行接口架构，兼容SPI的MODE0和MODE3；芯片有大于100年的数据保存期。而且该芯片还能够快速擦除和字节编程，芯片擦除时间仅为25mS，字节编程时间也仅为7uS；还可以可使用软件写保护功能；超低功耗。

如图7所示，SIM卡电路SIM DATA引脚与GPRS封装元件连接。SIM卡电路比较容易收到干扰，引起不识卡或者掉卡等情况，所以在设计时PCB布局时应将SIM卡座远离GSM天线；其次，SIM卡走线要远离RF线、VBAT和高速信号线，同时SIM卡走线不宜太长。为防止SIM_CLK对其它信号的干扰，应将SIM_CLK做保护处理，在本实施例中采用ESDA6VI型号元件进行保护。另外，SIM卡座的接地电压要和模块的接地电压等电位。SIM卡座和模块之间要串联电阻来增强ESD防护；SIM卡信号线增加对地电容，防止射频干扰。

如图8所示，在系统上设计了一个半双工的RS485总线，并利用该总线进行数据的有线传输以及相关参数配置。本实施例中的RS485总线仅用作设备的参数设定或者是数据直读。因此选用支持32个节点的芯片即可满足要求，又考虑到功耗的因素，采用了SP3483R作为RS485转换芯片。该芯片数据传输速率理论上高达250Kbps，同时兼容通用工业规范，而且引脚分布可以完美兼容SipexSP483器件。

如图9所示，LCD显示电路包括LCD显示屏和LCD驱动电路，LCD驱动电路分别与LCD显示屏和控制模块连接，接收控制模块数据并根据接收到的数据控制LCD显示屏工作。本发明的显示模块是独立于主模块的，即按键和显示部分与控制部分设计在两块不同的电路板上。因此，虽然选用的ARM处理器上已经集成了液晶驱动，但为了更好地保证信号完整性、布局的合理性以及节约控制引脚的原则，本发明选用了一款液晶驱动，在布局时放在显示屏旁边，让设计中敏感信号的测量与显示部分分开。本实施例中选用的驱动芯片是微控公司的MCP144型号芯片，该芯片可做到最大144段位输出，拥有4条公共线、36条段线，内置144位显示内存映射。而且该芯片低功耗模式下，实测工作电流约为5.5uA，关闭显示时，休眠电流约为0.1uA，完全满足本设计对于低功耗的设计要求。该款驱动芯片应用电路并不复杂，外围器件少。而且仅占用单片机两个控制端口，这极大地节约了片上资源，也减少了布线压力。LCD显示屏是完全与驱动芯片直连，不需要任何中间环节，其中COM0～COM3为4条公共线、S0～S30为31条段线。而驱动芯片占用单片机的两个控制端口对应图中信号分别为：LCD_SCL、LCD_SDA，他们的作用分别是：IIC总线的时钟线、IIC总线的数据线。

如图10所示，一种锂电池数据采集系统，分别与预先设置的远程服务器、PC机和用户手机进行数据传输，包括

数据采集服务单元、数据监测服务单元、通讯服务单元、系统功耗调理服务单元和嵌入式实时操作单元。嵌入式实时操作单元，控制数据采集服务单元、数据监测服务单元、通讯服务单元和系统功耗调理服务单元工作，接受上述单元数据并作出响应。数据采集单元包括模拟量采集模块和数字量采集模块，分别采集脉冲数字信号、模拟电压信号和锂电池所在地环境参数，将采集到的数据传输至嵌入式实时操作单元。数据监测服务单元监测数据采集服务单元采集到的数据，当采集到的数据低于或高于设定的阈值时报警；包括远程报警模块和阈值设置模块，阈值设置模块接收PC机指令。通讯服务单元提供系统在线调试、远程数据传输和模块信息配置服务；包括GPRS网络模块、RS485总线模块和短信息网络模块，GPRS网络模块通过GPRS信号和远程服务器进行通讯，RS485总线模块通过硬件端口与PC机进行通讯，短信息网络模块通过基站信号与用户手机进行短信息通讯。系统功耗调理服务单元，动态管理系统运行状况，实现系统功耗和效率的最优化；包括硬件模块管理模块和软件模块管理模块。

如图11所示，数据采集单元控制数据采集模块工作，主要实现对信号的采集，包括数字脉冲信号、模拟信号以及本地温湿度等环境参数。进行脉冲信号采集时，数据采集服务程序主要是利用单片机STM32L152内部的中断功能实现的。当脉冲采集程序初始化完成后，等待脉冲信号的输入，等到数据采集服务单元检测到脉冲信号时，对模块运行状态进行判断，若模块处于休眠状态下，待脉冲信号计数完毕后模块继续处于休眠状态；若模块处于激活状态下，待脉冲信号计数完毕后继续进行其他工作；模块在激活状态下模拟信号采用间断性采集方式，模拟信号包括电压模拟信号、本地温度、本地湿度等。嵌入式实时操作单元对采集的数据进行处理后加入到发送列表中，通过通讯服务单元上传给远程服务器或者PC机。

如图12所示，短消息网络模块与GPRS网络模块的工作方式相同，但短消息通讯服务主要用于接收短消息，短消息通讯服务任务创建后，通讯服务单元查询GPRS网络模块是否接收到新信息，如果没有接收到新信息，通讯服务单元将任务挂起，如果接收到新信息，在接收完新信息后将任务挂起。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种锂电池数据采集装置，与锂电池和锂电池外部的环境检测元件连接，其特征在于：包括数据采集模块、控制模块、数据传输模块、电源模块和人机交换模块；数据采集模块采集锂电池参数和锂电池所在地环境参数；控制模块控制数据采集模块、数据传输模块和人机交换模块工作；电源模块进行供电，人机交换模块用于输入和显示数据；数据传输模块负责不同模块之间的数据传输过程，以及通过GPRS无线网络进行数据的无线传输。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池数据采集装置，其特征在于：数据采集模块包括电源电压转换电路和信号调理电路，信号调理电路包括正脉冲调幅电路和负脉冲调幅电路，正脉冲调幅电路通过感性元件对采集的正脉冲信号进行滤波，负脉冲调幅电路通过感性元件对采集的负脉冲信号进行滤波。

3.根据权利要求1所述的一种锂电池数据采集装置，其特征在于：控制模块包括ARM控制电路和调试接口电路，调试接口电路包括电池预警电路和I/V转换电路；其中，电池预警电路包括二极管、分压电阻和超级电容，两个二极管反向并联后一端与锂电池正极连接，另一端与超级电容正极连接，超级电容负极接地；分压电阻串联在锂电池正极和接地端之间，分压后的电压信号送入ARM控制电路。

4.根据权利要求1所述的一种锂电池数据采集装置，其特征在于：ARM控制电路包括单片机和内存存储电路，单片机接收各模块数据并根据接收到的数据做出响应；内存存储电路与单片机连接。

5.根据权利要求1所述的一种锂电池数据采集装置，其特征在于：数据传输模块包括无线数据传输电路和有线数据传输电路；无线数据传输电路包括GPRS封装元件和SIM卡电路，GPRS封装元件分别与SIM卡电路和控制模块连接；GPRS封装元件连接有GSM信号天线并通过天线进行无线数据传输；有限数据传输电路包括RS485总线。

6.根据权利要求1所述的一种锂电池数据采集装置，其特征在于：人机交互模块包括LCD显示电路和键盘输入电路；LCD显示电路包括LCD显示屏和LCD驱动电路，LCD驱动电路分别与LCD显示屏和控制模块连接，接收控制模块数据并根据接收到的数据控制LCD显示屏工作。

7.一种基于权利要求1所述装置的锂电池数据采集系统，分别与预先设置的远程服务器、PC机和用户手机进行数据传输，其特征在于：包括

数据采集服务单元，采集脉冲数字信号、模拟电压信号和锂电池所在地环境参数，将采集到的数据传输至嵌入式实时操作单元；

数据监测服务单元，监测数据采集服务单元采集到的数据，当采集到的数据低于或高于设定的阈值时，报警；

通讯服务单元，提供系统在线调试、远程数据传输和模块信息配置服务；

系统功耗调理服务单元，动态管理系统运行状况，实现系统功耗和效率的最优化；

嵌入式实时操作单元，控制数据采集服务单元、数据监测服务单元、通讯服务单元和系统功耗调理服务单元工作，接受上述单元数据并作出响应。

8.根据权利要求7所述的一种锂电池数据采集系统，其特征在于：数据监测服务单元包括远程报警模块和阈值设置模块，远程报警模块在数据采集服务单元采集到的数据低于或高于设定的阈值时，向嵌入式实时操作单元发送报警信号；阈值设置模块接收PC机指令并根据接收到的指令修改数据阈值。

9.根据权利要求7所述的一种锂电池数据采集系统，其特征在于：通讯服务单元包括GPRS网络模块、RS485总线模块和短信息网络模块，GPRS网络模块通过GPRS信号和远程服务器进行通讯，RS485总线模块通过硬件端口与PC机进行通讯，短信息网络模块通过基站信号与用户手机进行短信息通讯。

10.根据权利要求7所述的一种锂电池数据采集系统，其特征在于：嵌入式实时操作单元接收数据采集服务单元数据并对其进行整合后，通过通讯服务单元将整合后的数据发送至远程服务器或者PC机；嵌入式实时操作单元接收数据监测服务单元报警信号，通过通讯服务单元将报警信号发送至PC机。