基于ZigBee的机车蓄电池监测系统设计

发布时间：2009-10-27 作者：张兴波

        0　引言
        由于具有容量大、电压稳定、免维护、无污染、无记 忆效应、不腐蚀设备等特点,免维护铅酸蓄电池已被广 泛应用于铁路、通信、电力、航空航天等领域。免维护 铅酸蓄电池在铁路机车上运用已有7、8年的时间,它 作为机车控制电路的后备电源,主要为起动内燃机车 柴油机和电力机车升弓受流前的准备工作提供电流, 同时也为机车控制电路主电源故障时提供后备电源, 维持机车故障运行。
        但是在机车上经过一段时间的运行后,免维护蓄 电池陆续出现内部活性物质脱落、电解液干涸、极板变 形、极板腐蚀、硫化和外壳变形等现象,导致容量降低 甚至失效,引发机车机破,对铁路运输秩序造成了不良 影响。
        本文提出一种机车蓄电池在线监测系统设计方 案,该方案采用Atmega128L 作为主控制器,基于Zig2 Bee技术搭建无线网络,将采集的数据传输至主控制 模块,实时监测蓄电池性能。
        1　ZigBee技术概述
        ZigBee是IEEE802. 15. 4的扩展集,是一种近距离、 低速率、低功耗、低成本、短时延的双向无线通信技术。 ZigBee技术的主要特点包括以下几个部分:
        (1) 数据传输速率低,只有10～250kbit/ s,专注 于低速传输应用;
        (2) 功耗低,在低耗电待机模式下, 2节普通5号 干电池可使用6个月以上;
        (3) 成本低,因为ZigBee数据传输速率低,协议 简单,所以大大降低了成本;
        (4) 网络容量大,每个ZigBee网络最多可支持 255个设备;
        (5) 有效范围小,有效覆盖范围10～75m之间, 具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式 而定;
        (6) 工作频段灵活,使用的频段分别为2. 4GHz、 868MHz欧洲及915MHz美国,均为免执照频段。
        2　系统体系架构
        本监测系统由主控节点和采集节点组成,按功能 划分为:数据采集、网络传输、数据转储、监测预警和调 度管理。
        数据采集部分主要负责电压的数据采集。网络传 输包含有线传输和无线传输,有线传输将采集的电压数据传输给采集模块,无线传输将网络节点的信息通 过ZigBee收发模块传输到主控制模块。调度管理通 过ZigBee技术负责对采集模块的节点ID号进行重新 配置。监测预警功能由主控模块完成,收集采集节点 发回的电压数据并通过LCD 显示。数据转储部分由 USB模块将采集的数据导入U盘,以便于地面分析软 件分析数据。
        3　系统硬件设计
        3. 1　芯片选型
        处理器采用AVR单片机的Atmega系列。主控节 点采用Atmega128L MCU, 采集节点采用Atmega16L MCU。Atmega系列单片机显著的特点是符合JTAG标 准的边界扫描功能、支持扩展的片内调试功能,通过 JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的 编程。它的外设极为丰富,有8路10位ADC、2个可 编程的串行USART和可工作于主机/从机模式的SP I 串行接口等。Atmega系列单片机采用8 位R ISC结 构,其丰富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理 速度(8MHz晶体驱动,指令周期125ns) 、大量的寄存 器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力;另 外,它的运行环境温度范围为- 40℃～85℃,可以适应 各种恶劣的环境。
        CC2420 是Chipcon 公司推出的一款符合 IEEE802. 15. 4 规范的2. 4GHz射频芯片,由频率合成 器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组 成。它采用高抗干扰o2QPSK调制,数据速率250kbit/ s,发射功率可调,抗邻频道干扰能力强( 39dB ) ,独特 的载波检测输出、数据就绪输出、地址匹配输出,自动 产生前导码和CRC,使用SP I接口与微处理器通信,配 置非常方便。此外, CC2420的工作电压范围为2. 1～ 3. 6V,其电流消耗很低,发射电流约为17. 4mA,接收电 流约为19. 4mA,待机电流约为2μA,能够满足系统高 性能低功耗的需要。
        3. 2　节点硬件电路设计
        节点硬件电路设计主要包括主控节点和采集节点 2部分。由于监测对象是机车蓄电池,电源可由蓄电 池的电压通过DC /DC模块转换而来,简化系统对电源 的设计。
        采集节点主要包括主控制芯片Atmega16L、JTAG 调试接口、电压采集保护电路、CC2420芯片和射频接 收发射模块。Atmega16L通过(TD I、TDO、TMS、TCK) 4 线连接JTAG调试接口,符合JTAG标准,方便在线调 试。CC2420可以通过4 线SP I总线( SI、SO、SCLK、 CSn)设置芯片的工作模式,并实现读/写缓存数据、读/ 写状态寄存器等。通过控制F IFO和F IFOP管脚接口 的状态可设置发射/接收缓存器。电压采集保护电路 主要是防止微处理器的AD转换端口在意外情况下被 烧毁,保护器件。采集节点接口原理图如图1所示。

        主控节点包括主控制芯片ATmega128L、JTAG调 试接口、USB模块、LCD显示模块、W25X32存储芯片、 CC2420芯片和射频接收发射模块。JTAG调试接口、 CC2420芯片和射频接收发射模块与采集节点接法类 似,在此不再详述。MCU通过并口PA口与USB模块 连接,提高了对U盘的读写速度,减少了时间。由于 程序对USB模块采用查询方法,所以不需要占用控制 器的中断端口。MCU 利用PB7 和PB6 连接 LMS0192A的SI和SCL 端口,模拟串行方式实现对 LCD模块的控制。由于SP I接口被CC2420 占用,故 利用模拟方式实现对存储芯片W25X32的控制。主控 节点接口原理图如图2所示。