CN204188738U - 一种实现蓄电池接反检查的电压采集装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种实现蓄电池接反检查的电压采集装置及系统，所述电压采集装置包括：与蓄电池组相连，用于采集所述蓄电池组中蓄电池电压的多路电压采集电路；与所述多路电压采集电路相连，用于对采集到的蓄电池电压进行放大和电平平移的电压放大电路；与所述电压放大电路相连，用于采样经所述电压放大电路处理后的蓄电池电压的电压采样电路；以及与所述电压采样电路相连，用于处理采样后的蓄电池电压的微控制器。本实用新型通过采用差分放大器对放大后的蓄电池电压进行电平平移处理，实现了蓄电池接反检查，保护了电压采集电路。

Description

一种实现蓄电池接反检查的电压采集装置及系统

技术领域

本实用新型属于蓄电池电压采集技术领域，涉及一种实现蓄电池接反检查的电压采集装置及系统。

背景技术

蓄电池是机车的重要组成部分：对于电力机车而言，蓄电池担负升弓前和过分相时的电力来源；对于内燃机车而言，蓄电池起着机车大电流启动电源的重要功能。蓄电池在实际使用中容易发生故障，机车整备或者中修时都需要对蓄电池进行充放电检测或者容量筛选，过程中都需要监测每节蓄电池的电压。传统的电压采集设备可实时监测每节蓄电池的电压，维修人员在维修或更换蓄电池时，可能会因粗心造成蓄电池接反，此时，传统的电压采集设备无法检测出接反的蓄电池电压，甚至会因为检测接反的蓄电池造成采集芯片的损坏。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型提供了一种实现蓄电池接反检查的电压采集装置及系统，目的在于检测出接反蓄电池，保护电压采集设备。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一方面，本实用新型实施例提供的一种实现蓄电池接反检查的电压采集装置，包括：

与蓄电池组相连，用于采集所述蓄电池组中蓄电池电压的多路电压采集电路；

与所述多路电压采集电路相连，用于对采集到的蓄电池电压进行放大和电平平移的电压放大电路；

与所述电压放大电路相连，用于采样经所述电压放大电路处理后的蓄电池电压的电压采样电路；以及

与所述电压采样电路相连，用于处理采样后的蓄电池电压的微控制器。

进一步地，还包括分压电路，用于将蓄电池电压进行分压处理；所述分压电路的输入端与所述蓄电池组中一节蓄电池的正极相连，所述分压电路的输出端与所述多路电压采集电路相连。

进一步地，还包括设置在所述电压采集电路和微控制器之间的电气隔离电路。

进一步地，还包括参考电压电路，所述参考电压电路为所述电压放大电路提供电平平移处理时的参考电压，以及为所述电压采样电路提供电源电压及采样参考电压。

进一步地，所述多路电压采集电路包括第一复用开关和第二复用开关；所述第一复用开关和所述第二复用开关的受控端与所述微控制器的控制端连接；所述第一复用开关的输入端接在所述蓄电池组中不同蓄电池的正极上，所述第二复用开关的输入端接在对应所述不同蓄电池的负极上；所述第一复用开关和所述第二复用开关的输出端连接到所述电压放大电路的输入端。

进一步地，所述电压放大电路包括差分放大器；所述差分放大器的正输入端接所述第一复用开关的输出端，所述差分放大器的负输入端接所述第二复用开关的输出端；所述差分放大器的两增益端之间设置有增益电阻；所述差分放大器的参考电压端外接参考电压；所述差分放大器的输出端接所述电压采样电路的输入端。

进一步地，所述参考电压电路包括用于输出参考电压的电压基准芯片、用于分压的排阻和用于降低输出电阻的运算放大器；所述电压基准芯片的输出端与所述电压采样电路的电源电压端以及采样参考电压端连接。

进一步地，所述电气隔离电路包括四通道数字隔离器。

进一步地，所述电压采样电路通过串行外设接口与所述微控制器相连。

另一方面，本实用新型实施例提供的一种实现蓄电池接反检查的电压采集系统，包括至少一个上述一方面中的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，所述实现蓄电池接反检查的电压采集装置连接到主控计算机上。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的优点是：

本实用新型提供的实现蓄电池接反检查的电压采集装置及系统，与传统的电压采集装置及系统相比，采用差分放大器对放大后的蓄电池电压进行电平平移处理，实现了蓄电池接反检查，保护了电压采集电路；然后在多路电压采集电路前采用分压电路，衰减共模电压到电路允许的范围内，保护了多路电压采集电路；而且电压采样电路与微控制器通过电气隔离电路进行通讯，避免了数字集成芯片对模拟电路芯片的噪声干扰；最后将至少一个电压采集装置连接到主控计算机上构成了电压采集系统，使得电压采集装置可以采用相同的软硬件设计，只需要设置跳线就可以通用互换，极大的方便了系统的设计、生产、安装、调试、组网和检修等工作。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本实用新型的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本实用新型的上述及其他特征和优点，附图中：

图1为本实用新型实施例一提供的实现蓄电池接反检查的电压采集装置的结构框图；

图2为本实用新型实施例一提供的多路电压采集电路的电路图；

图3为本实用新型实施例一提供的电压放大电路的电路图；

图4为本实用新型实施例一提供的电压采样电路的电路图；

图5为本实用新型实施例一提供的参考电压电路的电路图；

图6为本实用新型实施例二提供的实现蓄电池接反检查的电压采集装置的结构框图；

图7为本实用新型实施例二提供的分压电路的电路图；

图8为本实用新型实施例三提供的实现蓄电池接反检查的电压采集装置的结构框图；

图9为本实用新型实施例三提供的电气隔离电路的电路图；

图10为本实用新型实施例四提供的实现蓄电池接反检查的电压采集系统的结构框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本实用新型实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本实用新型的技术方案，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

图1给出了本实用新型实施例一提供的实现蓄电池接反检查的电压采集装置的结构框图，如图1所示，该电压采集装置包括：

与蓄电池组10相连，用于采集所述蓄电池组10中蓄电池电压的多路电压采集电路11；

与多路电压采集电路11相连，用于对采集到的蓄电池电压进行放大和电平平移的电压放大电路12；

与电压放大电路12相连，用于采样经电压放大电路12处理后的蓄电池电压的电压采样电路13；以及

与电压采样电路13相连，用于处理采样后的蓄电池电压的微控制器14。

本实用新型实施例一中，蓄电池组10包括至少一节蓄电池，该蓄电池可以为铅酸电池、碱性电池或锂电池，各蓄电池串联成蓄电池组10。多路电压采集电路11采用两片复用开关对蓄电池进行选择性采集，参考图2，该多路电压采集电路11包括第一复用开关和第二复用开关；第一复用开关和第二复用开关由微控制器14的控制端通过光耦隔离的端口A0～A3及EN端进行控制；第一复用开关的输入端S1～S16接在蓄电池组10中不同蓄电池的正极上，第二复用开关的输入端S1～S16接在对应上述不同蓄电池的负极上；第一复用开关和第二复用开关的电源端V+接+15V电压，V-接-15V电压，电源端与地之间接0.1μF的电容，该电容作为退耦电容，减少器件噪声对电源的影响；第一复用开关和第二复用开关的输出端D连接到电压放大电路12的输入端。复用开关便于控制，只有被选通的一路电压信号才能进入到电压放大电路12。

本实施例一中，电压放大电路12采用差分放大器，参考图3，电压放大电路12包括差分放大器，其中+IN端为差分放大器的正输入端，-IN端为差分放大器的负输入端，RG1和RG2为外接电阻的增益端，REF端为参考电压端，OUT端为输出端；差分放大器的正输入端接第一复用开关的输出端，差分放大器的负输入端接第二复用开关的输出端；差分放大器的两增益端之间接外部电阻来设置增益；差分放大器的参考电压端接参考电压；差分放大器的输出端接电压采样电路13的输入端。差分放大器AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，其电源端V+接+15V电压，V-接-15V电压，电源端与地之间接0.1μF的电容，该电容作为退耦电容，减少器件噪声对电源的影响。具体操作时，正输入端接第一复用开关的输出端，接收一节蓄电池的正极电压信号，负输入端接第二复用开关的输出端，接收该节蓄电池的负极电压信号。当参考电压端没有提供参考电压时，两路电压信号直接经差分放大后由输出端输出；当为参考电压端提供参考电压时，差分放大器先对两路电压信号进行差分放大得到放大电压，再对放大电压进行电平平移处理，具体地，经过电平平移处理后的电压值为参考电压与放大电压的代数和，最后将得到的电压信号由输出端输出。由此可以看出，经电平平移处理后的电压若大于参考电压，则所测蓄电池未接反；经电平平移处理后的电压若小于参考电压，则所测蓄电池接反。因此，本实施例对放大电压进行电平平移处理后，可实现蓄电池的接反检查功能，选取合适的参考电压，使输出电压不为负值，进一步保护了电压采集电路。

另外，本实施例中的电压采样电路13采用模数转换芯片，参考图4，+IN端为模数转换芯片的输入端，SCK为时钟控制端，SDO为数据输出端，CONV为受控端；模数转换芯片的输入端接上述差分放大器的输出端，电源电压VCC和参考电压VREF由同一外部电源提供，电源电压VCC与地之间接0.1μF的电容，该电容作为退耦电容，减少器件噪声对电源的影响；时钟控制端、数据输出端和受控端通过SPI与微控制器14进行通讯。具体地，经电平平移处理后的蓄电池电压信号进入模数转换芯片后被数字化为0～4095的值，微控制器14通过SPI读取这个值，经过计算就可以得到蓄电池的实际电压值。

最后，本实施例还提供了参考电压电路，该参考电压电路为电压放大电12进行电平平移处理时提供参考电压，同时为电压采样电路13提供电源电压及采样参考电压。参考图5，参考电压电路包括电压基准芯片、排阻和运算放大器；电压基准芯片的输出端VOUT输出的参考电压先经排阻分压，再通过运算放大器降低其输出电阻，最后从运算放大器的6端输出的电压提供给电压放大电路12；电压基准芯片的输出端VOUT输出的参考电压直接提供给电压采样电路13。该电路中，所有地线均接单点地。

本实用新型实施例一提供的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，与传统的电压采集装置相比，采用差分放大器对放大后的蓄电池电压进行电平平移处理，实现了蓄电池接反检查，保护了电压采集电路。

实施例二

图6给出了本实用新型实施例二提供的实现蓄电池接反检查的电压采集装置的结构框图，与本实用新型实施例一有所不同的是：

在蓄电池组60与多路电压采集电路62之间连接有分压电路61，用于将蓄电池电压进行分压处理。

由于机车蓄电池组电压高达DC110V以上，分组后每组也有几十伏特电压，超过了多路电压采集电路62的允许共模电压范围，所以蓄电池电压信号必须先用电阻衰减到多路电压采集电路62允许的输入范围内。分压电路61的电路图如图7所示，分压电路61的输入端1与蓄电池组60中一节蓄电池的正极相连，分压电路61的输出端2端与第一复用开关的一输入端相连。该分压电路61的分压比例可以根据实际分组的蓄电池数量而定，本实施例中以电力机车使用的DLM-170型蓄电池为例，12节该蓄电池为一组，该蓄电池充满电后电压接近2.2V，加上充电时线路损耗，其电压约为2.6V，再加上裕量不超过3V。分压电阻R102为100KΩ，R101为20KΩ，选取电阻R101两端的电压为衰减电压，分压比例为1/6。

本实施例中的12节蓄电池，每节蓄电池的正极都接有一个如图7所示的分压电路61,以接地的那节蓄电池为第一节蓄电池，按正序排列，第一节蓄电池上的分压电路61的输出端2与第一复用开关的S1端相连，第一节蓄电池的地线与第二复用开关的S1端相连；第二节蓄电池上的分压电路61的输出端2与第一复用开关的S2端相连，第一节蓄电池上的分压电路61的输出端2与第二复用开关的S2端相连；以此类推，最后第十二节蓄电池上的分压电路61的输出端2与第一复用开关的S12端相连，第十一节蓄电池上的分压电路61的输出端2与第二复用开关的S12端相连。经过12路分压电路61衰减的蓄电池电压在同一时刻只有一路被复用开关选通进入电压放大电路63，本实施例中，差分放大器的放大倍数设置为5倍，经差分放大后的蓄电池电压为原蓄电池电压的5/6，对于DLM-170型蓄电池，差分放大后的电压不超过2.5V。

因此，在该实施例中，差分放大器对差分放大后的电压进行电平平移处理时，参考电压电路65仅需为差分放大器提供2.5V的参考电压，便可使差分放大器输出的电压为0～5V的非负值，适合电压采样电路64进行采样处理。同时，电压采样电路64在处理0～5V的电压信号时，参考电压电路65的电压基准芯片直接为其提供5V的电源电压及采样参考电压。之后，经电压采样电路64采样后的电压通过微控制器66进行初步数据处理，若初步数据处理所得的电压值大于2.5V，则蓄电池没有接反，反之，蓄电池接反。再对数据进行进一步还原处理，可得蓄电池电压。

本实用新型实施例二提供的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，与传统的电压采集装置相比，采用差分放大器对放大后的蓄电池电压进行电平平移处理，实现了蓄电池接反检查，保护了电压采集电路；然后在多路电压采集电路前采用分压电路，衰减共模电压到电路允许的范围内，保护了多路电压采集电路。

实施例三

图8给出了本实用新型实施例三提供的实现蓄电池接反检查的电压采集装置的结构框图，与本实用新型实施例二有所不同的是：

在电压采样电路84和微控制器87之间连接有电气隔离电路86，用于隔离数字集成芯片对模拟电路芯片的噪声干扰。

由于微控制器等数字集成芯片工作时钟高达几十上百兆赫兹，会产生很强的噪声干扰ADC芯片等模拟电路芯片工作，为了避免这个干扰问题，本实施例对数字电路部分和模拟电路进行了电气隔离。数字电路和模拟电路的供电采用不同的隔离DC/DC模块从+24V通用工业供电获取，微控制器87和电压采样电路84通过四通道数字隔离器ADuM1401来通讯。ADuM1401是采用3/1通道方向性的四通道数字隔离器，采用ADI公司iCoupler技术。这种隔离器件将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，不用LED和光电二极管，因而不存在一般与光耦合器相关的设计困难。简单的iCoupler数字接口和稳定的性能特征，可消除光耦合器通常具有的电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题，而且不需要外部驱动器和其它分立器件，在信号数据速率相当的情况下，iCoupler器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6。

图9为本实用新型实施例三提供的电气隔离电路的电路图，电气隔离电路包括四通道数字隔离器，微控制器87通过四通道数字隔离器的VIA端由VOA端控制两片复用开关，四通道数字隔离器的VOB端接模数转换芯片的受控端，四通道数字隔离器的VOC端接模数转换芯片的时钟控制端，四通道数字隔离器的VID端接模数转换芯片的数据输出端，四通道数字隔离器的VIB端、VIC端和VOD端通过SPI与微控制器14连接；微控制器87与模数转换芯片通过四通道数字隔离器进行通讯。

本实用新型实施例三提供的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，与传统的电压采集装置相比，采用差分放大器对放大后的蓄电池电压进行电平平移处理，实现了蓄电池接反检查，保护了电压采集电路；然后在多路电压采集电路前采用分压电路，衰减共模电压到电路允许的范围内，保护了多路电压采集电路；而且电压采样电路与微控制器通过电气隔离电路进行通讯，避免了数字集成芯片对模拟电路芯片的噪声干扰。

实施例四

图10给出了本实用新型实施例四提供的实现蓄电池接反检查的电压采集系统的结构框图，如图10所示，该电压采集系统包括：

至少一个上述实施例的实现蓄电池接反检查的电压采集装置和主控计算机10。

MODBUS-RTU协议的信息帧结构，地址有8位，可以看出按照标准协议可以有256个设备，实际由于总线分布电容的影响，总线最多可以有110个终端。MODBUS-RTU是带16位CRC校验数据的，循环冗余检查(CRC)是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性。CRC的使用能有效提高通讯质量，有效避免因其他设备的无线电干扰造成传输错误。MODBUS协议将电池电压映射为寄存器，可以很方便的读取和存入数据库，方便监控计算机程序的编写。

电压采集装置通过基于MODBUS-RTU的RS485总线连接到主控计算机10上，主控计算机10可以实时采集到任一组蓄电池组中的任何一节蓄电池电压。由于总线可以多达110个，因此，用户只需一台主控计算机10就可以监控整列动车上六百多节蓄电池。

本实用新型实施例四提供的实现蓄电池接反检查的电压采集系统，与传统的电压采集系统相比，采用差分放大器对放大后的蓄电池电压进行电平平移处理，实现了蓄电池接反检查，保护了电压采集电路；然后在多路电压采集电路前采用分压电路，衰减共模电压到电路允许的范围内，保护了多路电压采集电路；而且电压采样电路与微控制器通过电气隔离电路进行通讯，避免了数字集成芯片对模拟电路芯片的噪声干扰；最后将至少一个电压采集装置通过基于MODBUS-RTU的RS485总线连接到主控计算机上构成了电压采集系统，使得电压采集装置可以采用相同的软硬件设计，只需要设置跳线就可以通用互换，极大的方便了系统的设计、生产、安装、调试、组网和检修等工作。

本实用新型上述实施例中，其中的第一复用开关和第二复用开关可以采用DG406芯片，差分放大器可以采用AD620芯片，电压采样电路可以采用模数转换芯片ADS7816UB，电压基准芯片可以采用REF5050芯片，排阻可以采用RN15芯片，运算放大器可以采用OP07C芯片，四通道数字隔离器可以采用ADuM1401芯片。但本领域内技术人员也可以根据实际需要，选择其他型号的电路元件，选上述电路元件，仅为实现本实用新型的一种方式，而非对本实用新型的限制。

上述仅对本实用新型中的具体实施例加以说明，但并不能作为本实用新型的保护范围，凡是依据本实用新型中的设计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现蓄电池接反检查的电压采集装置，其特征在于，所述电压采集装置包括：

与蓄电池组相连，用于采集所述蓄电池组中蓄电池电压的多路电压采集电路；

与所述多路电压采集电路相连，用于对采集到的蓄电池电压进行放大和电平平移的电压放大电路；

与所述电压放大电路相连，用于采样经所述电压放大电路处理后的蓄电池电压的电压采样电路；以及

与所述电压采样电路相连，用于处理采样后的蓄电池电压的微控制器。

2.根据权利要求1所述的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，其特征在于，还包括分压电路，用于将蓄电池电压进行分压处理；所述分压电路的输入端与所述蓄电池组中一节蓄电池的正极相连，所述分压电路的输出端与所述多路电压采集电路相连。

3.根据权利要求1所述的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，其特征在于，还包括设置在所述电压采集电路和微控制器之间的电气隔离电路。

4.根据权利要求1所述的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，其特征在于，还包括参考电压电路，所述参考电压电路为所述电压放大电路提供电平平移处理时的参考电压，以及为所述电压采样电路提供电源电压及采样参考电压。

5.根据权利要求1所述的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，其特征在于，所述多路电压采集电路包括第一复用开关和第二复用开关；所述第一复用开关和所述第二复用开关的受控端与所述微控制器的控制端连接；所述第一复用开关的输入端接在所述蓄电池组中不同蓄电池的正极上，所述第二复用开关的输入端接在对应所述不同蓄电池的负极上；所述第一复用开关和所述第二复用开关的输出端分别连接到所述电压放大电路的输入端。

6.根据权利要求5所述的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，其特征在于，所述电压放大电路包括差分放大器；所述差分放大器的正输入端接所述第一复用开关的输出端，所述差分放大器的负输入端接所述第二复用开关的输出端；所述差分放大器的两增益端之间设置有增益电阻；所述差分放大器的参考电压端外接参考电压；所述差分放大器的输出端接所述电压采样电路的输入端。

7.根据权利要求4所述的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，其特征在于，所述参考电压电路包括用于输出参考电压的电压基准芯片、用于分压的排阻和用于降低输出电阻的运算放大器；所述电压基准芯片的输出端与所述电压采样电路的电源电压端以及采样参考电压端连接。

8.根据权利要求3所述的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，其特征在于，所述电气隔离电路包括四通道数字隔离器。

9.根据权利要求1-8任一所述的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，其特征在于，所述电压采样电路通过串行外设接口与所述微控制器相连。

10.一种实现蓄电池接反检查的电压采集系统，其特征在于，包括至少一个权利要求1-9任一所述的实现蓄电池接反检查的电压采集装置，所述实现蓄电池接反检查的电压采集装置连接到主控计算机上。