本發(fā)明涉及動力電池領域，尤其涉及了一種鋰電池數(shù)據(jù)采集裝置及系統(tǒng)。

背景技術：

自動化測控技術在傳統(tǒng)工業(yè)中的應用主要是利用單片機等微處理器通過串口與上位機實現(xiàn)通信，這種方式在數(shù)據(jù)傳輸距離上有很大的限制。而且，傳統(tǒng)工業(yè)中的數(shù)據(jù)傳輸主要依賴于有線傳輸?shù)姆绞?，但無論是rs485或者rs232總線，還是因特網等通信方式，都會在很大程度上受地理位置和環(huán)境因素的制約。常見的遠程數(shù)據(jù)傳輸方式主要有利用低壓電力線載波、利用無線電臺以及利用移動通信網絡等幾種方式。其中，利用低壓電力線載波的方式使用較為方便快捷，但是目前電力網污染還較為嚴重，而且電網干擾特性不能通過特定的模型或者公式進行解析。利用無線電臺進行數(shù)據(jù)傳輸，雖然理論上可行，但是每一個通道都需要使用一個單獨的頻率，造成極大的資源浪費，也不宜推廣使用。而利用移動通信網絡，可以很方便快捷的進行數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸，而且我國移動網絡覆蓋面積廣、資費低廉、應用方便，特別適用于應用場合不固定的設備作為數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)氖侄巍?/p>

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中數(shù)據(jù)傳輸過程制約條件多，傳輸質量差的缺點，提供了一種鋰電池數(shù)據(jù)采集裝置及系統(tǒng)。

本發(fā)明解決了數(shù)據(jù)傳輸過程制約條件多，傳輸質量差的問題，本設計方案利用了gprs網絡，代替了原有的有線連接方式，使得數(shù)據(jù)傳輸不再受到地理條件制約，另外直接利用覆蓋面廣的基站信號進行傳輸，不用再增設電臺或者占用固定頻率波段，節(jié)省了人力物力資源。其次，基站信號網絡發(fā)展成熟，傳輸過程穩(wěn)定快捷，保證了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的完整性和正確性。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明通過下述技術方案得以解決：

一種鋰電池數(shù)據(jù)采集裝置，與鋰電池和鋰電池外部的環(huán)境檢測元件連接，包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊和人機交換模塊；數(shù)據(jù)采集模塊采集鋰電池參數(shù)和鋰電池所在地環(huán)境參數(shù)；控制模塊控制數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和人機交換模塊工作；電源模塊進行供電，人機交換模塊用于輸入和顯示數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸模塊負責不同模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸過程，以及通過gprs無線網絡進行數(shù)據(jù)的無線傳輸。

gprs網絡基于手機信號基站建立，基站數(shù)量眾多，覆蓋面廣，使得數(shù)據(jù)傳輸不再受到地理條件制約。直接利用基站傳輸數(shù)據(jù)，不用再增設電臺或者占用固定頻率波段，節(jié)省了人力物力資源?；拘盘柗€(wěn)定，強度大，保證了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的完整性和正確性。

作為優(yōu)選，數(shù)據(jù)采集模塊包括電源電壓轉換電路和信號調理電路，信號調理電路包括正脈沖調幅電路和負脈沖調幅電路，正脈沖調幅電路通過感性元件對采集的正脈沖信號進行濾波，負脈沖調幅電路通過感性元件對采集的負脈沖信號進行濾波。

信號調理電路主要實現(xiàn)對模擬信號進行濾波處理和對脈沖信號進行調幅處理。由于系統(tǒng)所采集的模擬信號主要為直流信號，因此利用感性元件對其摻雜的交流信號進行濾除。

作為優(yōu)選，控制模塊包括arm控制電路和調試接口電路，調試接口電路包括電池預警電路和i/v轉換電路；其中，電池預警電路包括二極管、分壓電阻和超級電容，兩個二極管反向并聯(lián)后一端與鋰電池正極連接，另一端與超級電容正極連接，超級電容負極接地；分壓電阻串聯(lián)在鋰電池正極和接地端之間，分壓后的電壓信號送入arm控制電路。

二極管用于在鋰電池電壓變化時對電路進行相應的通斷控制，鋰電池電壓正常時，超級電容進行充電，當鋰電池電量不足導致電壓降低時，超級電容進行放電，為電路提供應急電源。分壓后的電壓信號送入arm控制電路，由控制電路判斷電池電量情況，超級電容開始放電后，電壓信號也發(fā)生改變，arm控制電路做出響應。

作為優(yōu)選，arm控制電路包括單片機和內存存儲電路，單片機接收各模塊數(shù)據(jù)并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)做出響應；內存存儲電路與單片機連接。單片機接收到大量采集到的數(shù)據(jù)，本身的存儲空間不能滿足要求，需要另外連接外部內存來進行數(shù)據(jù)存儲。

作為優(yōu)選，數(shù)據(jù)傳輸模塊包括無線數(shù)據(jù)傳輸電路和有線數(shù)據(jù)傳輸電路；無線數(shù)據(jù)傳輸電路包括gprs封裝元件和sim卡電路，gprs封裝元件分別與sim卡電路和控制模塊連接；gprs封裝元件連接有gsm信號天線并通過天線進行無線數(shù)據(jù)傳輸；有限數(shù)據(jù)傳輸電路包括rs485總線。

gprs封裝元件具有模擬接口、數(shù)字接口、模擬基帶、數(shù)字基帶以及射頻發(fā)射元件，射頻發(fā)射元件與與相應的信號發(fā)射天線連接。該元件與sim電路連接，用于接入gprs網絡進行無線數(shù)據(jù)傳輸。

作為優(yōu)選，人機交互模塊包括lcd顯示電路和鍵盤輸入電路；lcd顯示電路包括lcd顯示屏和lcd驅動電路，lcd驅動電路分別與lcd顯示屏和控制模塊連接，接收控制模塊數(shù)據(jù)并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)控制lcd顯示屏工作。

為了節(jié)省arm控制電路單片機引腳，更合理的規(guī)劃電路板上空間，本發(fā)明選擇通過另加增加lcd驅動電路來驅動lcd顯示屏，而非直接使用單片機上自帶的液晶驅動。這樣設計能夠使產品布線更加靈活。

一種基于上述裝置的鋰電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別與預先設置的遠程服務器、pc機和用戶手機進行數(shù)據(jù)傳輸，包括

數(shù)據(jù)采集服務單元，采集脈沖數(shù)字信號、模擬電壓信號和鋰電池所在地環(huán)境參數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式實時操作單元；

數(shù)據(jù)監(jiān)測服務單元，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集服務單元采集到的數(shù)據(jù)，當采集到的數(shù)據(jù)低于或高于設定的閾值時，報警；

通訊服務單元，提供系統(tǒng)在線調試、遠程數(shù)據(jù)傳輸和模塊信息配置服務；

系統(tǒng)功耗調理服務單元，動態(tài)管理系統(tǒng)運行狀況，實現(xiàn)系統(tǒng)功耗和效率的最優(yōu)化；

嵌入式實時操作單元，控制數(shù)據(jù)采集服務單元、數(shù)據(jù)監(jiān)測服務單元、通訊服務單元和系統(tǒng)功耗調理服務單元工作，接受上述單元數(shù)據(jù)并作出響應。

本系統(tǒng)與本發(fā)明硬件裝置配合使用，系統(tǒng)預先安裝在arm電路單片機內，按照功能劃分出不同的功能單元，使用時控制相應的硬件結構完成不同的操作。

作為優(yōu)選，數(shù)據(jù)監(jiān)測服務單元包括遠程報警模塊和閾值設置模塊，遠程報警模塊在數(shù)據(jù)采集服務單元采集到的數(shù)據(jù)低于或高于設定的閾值時，向嵌入式實時操作單元發(fā)送報警信號；閾值設置模塊接收pc機指令并根據(jù)接收到的指令修改數(shù)據(jù)閾值。

報警功能能夠及時的向用戶報告鋰電池的可能存在的故障，有效地控制了故障影響范圍。通過系統(tǒng)進行第一輪的監(jiān)測，能夠為用戶節(jié)省精力和時間，不需要一直觀察數(shù)據(jù)變化。

作為優(yōu)選，通訊服務單元包括gprs網絡模塊、rs485總線模塊和短信息網絡模塊，gprs網絡模塊通過gprs信號和遠程服務器進行通訊，rs485總線模塊通過硬件端口與pc機進行通訊，短信息網絡模塊通過基站信號與用戶手機進行短信息通訊。gprs網絡模塊用于進行遠程無線數(shù)據(jù)傳輸，rs485總線模塊用于進行裝置內部數(shù)據(jù)傳輸，短信息網絡模塊用于進行接收用戶手機短信。

作為優(yōu)選，嵌入式實時操作單元接收數(shù)據(jù)采集服務單元數(shù)據(jù)并對其進行整合后，通過通訊服務單元將整合后的數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程服務器或者pc機；嵌入式實時操作單元接收數(shù)據(jù)監(jiān)測服務單元報警信號，通過通訊服務單元將報警信號發(fā)送至pc機。用戶遠程監(jiān)控鋰電池運行狀況，以及鋰電池周圍環(huán)境變化，及時的對鋰電池進行維修和更換，以及更新鋰電池外其它附屬設備。

本發(fā)明由于采用了以上技術方案，具有顯著的技術效果：本發(fā)明能夠有效監(jiān)測鋰電池狀態(tài)和鋰電池周圍環(huán)境變化，監(jiān)測數(shù)據(jù)定期穩(wěn)定完整的自動上傳到服務器中，本發(fā)明能及時檢測到異常情況并迅速向用戶進行報警，便于盡早排除故障，減少損失。本發(fā)明結構簡單，安裝方便，可以遠程進行調試，節(jié)省了大量的人力物力，節(jié)省了用戶的時間。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1的硬件結構示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例1電池預警電路示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例1i/v轉換電路示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例1正脈沖調幅電路示意圖。

圖5是本發(fā)明實施例1負脈沖調幅電路示意圖。

圖6是本發(fā)明實施例1內存存儲電路示意圖。

圖7是本發(fā)明實施例1sim卡電路示意圖。

圖8是本發(fā)明實施例1rs485總線電路示意圖。

圖9是本發(fā)明實施例1lcd驅動電路示意圖。

圖10是本發(fā)明實施例1系統(tǒng)示意框圖。

圖11是本發(fā)明實施例1數(shù)據(jù)采集服務流程圖

圖12是本發(fā)明實施例1短消息通訊服務流程圖

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。

實施例1

如圖1所示，一種鋰電池數(shù)據(jù)采集裝置，與鋰電池和鋰電池外部的環(huán)境檢測元件連接，包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊和人機交換模塊。數(shù)據(jù)采集模塊包括電源電壓轉換電路和信號調理電路；控制模塊包括arm控制電路和調試接口電路；數(shù)據(jù)傳輸模塊包括無線數(shù)據(jù)傳輸電路和有線數(shù)據(jù)傳輸電路；電源模塊包括開關電源電路和線性電源電路；人機交互模塊包括lcd顯示電路和鍵盤輸入電路。

如圖2所示，電池預警電路包括二極管、分壓電阻和超級電容，兩個二極管反向并聯(lián)后一端與鋰電池正極連接，另一端與超級電容正極連接，超級電容負極接地；分壓電阻串聯(lián)在鋰電池正極和接地端之間，分壓后的電壓信號送入arm控制電路。本實施例中，鋰電池輸出電壓為7.2v，d1、d2為兩個正向導通壓降為0.2v的1n5819型號二極管，保證了超級電容正極電壓不高于7v，由于arm控制電路中單片機的adc處理不了這么高的電壓，因此本發(fā)明利用r2、r3兩個分壓電阻對其進行分壓，這樣就保證送入adc的電壓在可處理范圍內。當電池掉電以后，“7.2v”信號低于6.8v以后，二極管d2就會導通，超級電容開始放電供系統(tǒng)使用。同時，adc14采集到的電壓也會發(fā)生變化，然后單片機根據(jù)adc14采集到的電壓數(shù)據(jù)來判斷這一動作，當判定結束以后控制無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送預設置好的更換電池請求的短信，然后對整個數(shù)據(jù)傳輸模塊進行關機處理。

如圖3所示，假設輸入電流為i0，輸出電壓為v0。由于輸入是電流信號，而且可以認為運算放大器同向端輸入阻抗遠大于電阻r7，即流入運算放大器的電流可以忽略不計。那么，根據(jù)基爾霍夫節(jié)點電流法，所有電流都經過電阻r7，那么電阻r7對運放同向端的電壓就有一個確定的作用，即vin+＝i0×r7。然后，當運算放大器為理想狀態(tài)時，可以推導出以下公式：uo＝i0×r7。

這樣，圖3所示電路就實現(xiàn)了電流信號到電壓信號的轉換。由于轉換得到的電壓信號需要由微處理器進行ad轉換，而本實施例中選用的是3.3v供電的arm微處理器，其內置adc可處理電壓范圍也不得高于3.3v。同時，電流輸入范圍為4ma至20ma，因此取電阻r7的值為150ω，這樣i/v轉換后的電壓范圍在0.6至3v，滿足ad轉換的電壓范圍。對于系統(tǒng)而言，只需對ad采樣得到的電壓值進行換算即可得到所采集的電流值。

如圖4和圖5所示，本發(fā)明中信號調理電路主要是實現(xiàn)以下兩個功能：對模擬信號進行濾波處理、對脈沖信號進行調幅處理。由于系統(tǒng)所采集的模擬信號主要為直流信號，因此本發(fā)明利用感性元件對其摻雜的交流信號進行濾除。本發(fā)明所采集的脈沖信號有正脈沖和負脈沖兩種，因此信號調理電路包括正脈沖調幅電路和負脈沖調幅電路，正脈沖調幅電路通過感性元件對采集的正脈沖信號進行濾波，負脈沖調幅電路通過感性元件對采集的負脈沖信號進行濾波。

如圖6所示，arm控制電路包括單片機和內存存儲電路，內存存儲電路與單片機連接，用于存儲數(shù)據(jù)。本實施例中單片機采用stm32系列單片機的stm32l152型號。由于使用的單片機內部flash空間僅為128kb，而要達到對數(shù)據(jù)進行保存的目的，對存儲空間的拓展是必要的。在眾多存儲器中flash的開發(fā)最為方便，而且同等存儲空間下flash芯片體積更小價格更優(yōu)，即使其數(shù)據(jù)寫入速度不及eeprom，但依然可以滿足本發(fā)明的使用需求。因此，本發(fā)明選用flash作為單片機的外部存儲器，本實施例中選用的flash芯片sst25vf080b是一款內存為8mb的spi串行閃存，該芯片構成簡單開發(fā)便捷，采用串行接口架構，兼容spi的mode0和mode3；芯片有大于100年的數(shù)據(jù)保存期。而且該芯片還能夠快速擦除和字節(jié)編程，芯片擦除時間僅為25ms，字節(jié)編程時間也僅為7us；還可以可使用軟件寫保護功能；超低功耗。

如圖7所示，sim卡電路simdata引腳與gprs封裝元件連接。sim卡電路比較容易收到干擾，引起不識卡或者掉卡等情況，所以在設計時pcb布局時應將sim卡座遠離gsm天線；其次，sim卡走線要遠離rf線、vbat和高速信號線，同時sim卡走線不宜太長。為防止sim_clk對其它信號的干擾，應將sim_clk做保護處理，在本實施例中采用esda6vi型號元件進行保護。另外，sim卡座的接地電壓要和模塊的接地電壓等電位。sim卡座和模塊之間要串聯(lián)電阻來增強esd防護；sim卡信號線增加對地電容，防止射頻干擾。

如圖8所示，在系統(tǒng)上設計了一個半雙工的rs485總線，并利用該總線進行數(shù)據(jù)的有線傳輸以及相關參數(shù)配置。本實施例中的rs485總線僅用作設備的參數(shù)設定或者是數(shù)據(jù)直讀。因此選用支持32個節(jié)點的芯片即可滿足要求，又考慮到功耗的因素，采用了sp3483r作為rs485轉換芯片。該芯片數(shù)據(jù)傳輸速率理論上高達250kbps，同時兼容通用工業(yè)規(guī)范，而且引腳分布可以完美兼容sipexsp483器件。

如圖9所示，lcd顯示電路包括lcd顯示屏和lcd驅動電路，lcd驅動電路分別與lcd顯示屏和控制模塊連接，接收控制模塊數(shù)據(jù)并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)控制lcd顯示屏工作。本發(fā)明的顯示模塊是獨立于主模塊的，即按鍵和顯示部分與控制部分設計在兩塊不同的電路板上。因此，雖然選用的arm處理器上已經集成了液晶驅動，但為了更好地保證信號完整性、布局的合理性以及節(jié)約控制引腳的原則，本發(fā)明選用了一款液晶驅動，在布局時放在顯示屏旁邊，讓設計中敏感信號的測量與顯示部分分開。本實施例中選用的驅動芯片是微控公司的mcp144型號芯片，該芯片可做到最大144段位輸出，擁有4條公共線、36條段線，內置144位顯示內存映射。而且該芯片低功耗模式下，實測工作電流約為5.5ua，關閉顯示時，休眠電流約為0.1ua，完全滿足本設計對于低功耗的設計要求。該款驅動芯片應用電路并不復雜，外圍器件少。而且僅占用單片機兩個控制端口，這極大地節(jié)約了片上資源，也減少了布線壓力。lcd顯示屏是完全與驅動芯片直連，不需要任何中間環(huán)節(jié)，其中com0～com3為4條公共線、s0～s30為31條段線。而驅動芯片占用單片機的兩個控制端口對應圖中信號分別為：lcd_scl、lcd_sda，他們的作用分別是：iic總線的時鐘線、iic總線的數(shù)據(jù)線。

如圖10所示，一種鋰電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別與預先設置的遠程服務器、pc機和用戶手機進行數(shù)據(jù)傳輸，包括

數(shù)據(jù)采集服務單元、數(shù)據(jù)監(jiān)測服務單元、通訊服務單元、系統(tǒng)功耗調理服務單元和嵌入式實時操作單元。嵌入式實時操作單元，控制數(shù)據(jù)采集服務單元、數(shù)據(jù)監(jiān)測服務單元、通訊服務單元和系統(tǒng)功耗調理服務單元工作，接受上述單元數(shù)據(jù)并作出響應。數(shù)據(jù)采集單元包括模擬量采集模塊和數(shù)字量采集模塊，分別采集脈沖數(shù)字信號、模擬電壓信號和鋰電池所在地環(huán)境參數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式實時操作單元。數(shù)據(jù)監(jiān)測服務單元監(jiān)測數(shù)據(jù)采集服務單元采集到的數(shù)據(jù)，當采集到的數(shù)據(jù)低于或高于設定的閾值時報警；包括遠程報警模塊和閾值設置模塊，閾值設置模塊接收pc機指令。通訊服務單元提供系統(tǒng)在線調試、遠程數(shù)據(jù)傳輸和模塊信息配置服務；包括gprs網絡模塊、rs485總線模塊和短信息網絡模塊，gprs網絡模塊通過gprs信號和遠程服務器進行通訊，rs485總線模塊通過硬件端口與pc機進行通訊，短信息網絡模塊通過基站信號與用戶手機進行短信息通訊。系統(tǒng)功耗調理服務單元，動態(tài)管理系統(tǒng)運行狀況，實現(xiàn)系統(tǒng)功耗和效率的最優(yōu)化；包括硬件模塊管理模塊和軟件模塊管理模塊。

如圖11所示，數(shù)據(jù)采集單元控制數(shù)據(jù)采集模塊工作，主要實現(xiàn)對信號的采集，包括數(shù)字脈沖信號、模擬信號以及本地溫濕度等環(huán)境參數(shù)。進行脈沖信號采集時，數(shù)據(jù)采集服務程序主要是利用單片機stm32l152內部的中斷功能實現(xiàn)的。當脈沖采集程序初始化完成后，等待脈沖信號的輸入，等到數(shù)據(jù)采集服務單元檢測到脈沖信號時，對模塊運行狀態(tài)進行判斷，若模塊處于休眠狀態(tài)下，待脈沖信號計數(shù)完畢后模塊繼續(xù)處于休眠狀態(tài)；若模塊處于激活狀態(tài)下，待脈沖信號計數(shù)完畢后繼續(xù)進行其他工作；模塊在激活狀態(tài)下模擬信號采用間斷性采集方式，模擬信號包括電壓模擬信號、本地溫度、本地濕度等。嵌入式實時操作單元對采集的數(shù)據(jù)進行處理后加入到發(fā)送列表中，通過通訊服務單元上傳給遠程服務器或者pc機。

如圖12所示，短消息網絡模塊與gprs網絡模塊的工作方式相同，但短消息通訊服務主要用于接收短消息，短消息通訊服務任務創(chuàng)建后，通訊服務單元查詢gprs網絡模塊是否接收到新信息，如果沒有接收到新信息，通訊服務單元將任務掛起，如果接收到新信息，在接收完新信息后將任務掛起。

總之，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。