张雨益　何志毅

【摘 要】设计了一个移动基站备用电源的检测和数据远程传输系统。在电池组工作电流和各节电池电压的测量中，通过脉冲频率调制方式对信号幅频转换替代AD转换进行隔离采集，以避免大电流开关切换对可编程器件的干扰。测量数据通过移动模块发送到远程安卓客户端并显示变化过程曲线。利用差分放大削减输入电压模拟信号幅度只保留充放电有效变化的范围，显著提高幅频转换隔离采样的电压电流精度，分别达到0.13V和60mA。

【关键词】TC35;压频转换;蓄电池组;均衡控制

中图分类号： TM912 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）14-0031-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.014

Mobile Base Station Backup Power Remote Monitoring and Equalization System

ZHANG Yu-yi HE Zhi-yi

（Guilin University Of Electronic Technology，Guangxi Guilin 541004，China）

【Abstract】A base station backup power supply detection and data remote transmission system is designed. In the measurement of the operating current of the battery pack and the voltage of each section of the battery， AD conversion was replaced by pulse frequency modulation to convert signal from Amplitude to frequency for isolated acquisition of signal to avoid the interference of the high-current switching to the programmable device. The measurement data was sent to the remote Android client via the mobile module and the change process curve is displayed. Using the differential amplifier to reduce the input voltage analog signal amplitude only retains the range of effective changes in charge and discharge， significantly improving the voltage-current accuracy of the amplitude-frequency conversion isolation sampling， respectively reaching 0.13V and 60mA.

【Key words】TC35; Voltage-Frequency conversion; Battery pack; Equilibrium control

0 引言

穩定可靠的电源供电是通信系统安全、可靠运行的保证，一旦通信电源系统故障引起对通信设备的供电中断，通信设备就无法运行，就会造成通信电路中断、通信系统瘫痪，从而造成极大的经济和社会效益损失。为此通常都会配置备用电源，以便在停电或电源故障的时候为基站设备提供紧急供电。按照电源设备维护要求，需要定期对基站蓄电池组进行核对性放电和定期容量放电测试，以便及时发现性能老化的蓄电池并进行更换[1]。蓄电池组放电需要10个小时左右，如果由人工测试将会耗费大量人力物力，而且整个过程需要全程记录看护，工作十分枯燥辛苦。为了提高维护效率，我们设计了一套可以远程对蓄电池进行监控管理的系统。

1 系统主要功能简介

系统主要由电压检测、电流检测、市电检测、停电时供电均衡和TC35短信模块以及单片机控制系统组成。通过控制继电器开关阵列实现充放电，为了将蓄电池组核对性放电对基站设备供电的影响降到最小，需要在确认电池组满载荷（测试之前24小时未发生停电，且对电池组持续充电至少24小时或48小时）的条件下才能进行测试。测试开始时，主电源停止对电池组充电仅对设备负载供电，然后对电池组中的每节电池逐个进行放电检测，测试过程产生的数据通过TC35模块发送到手机终端。当检测到电池电压迅速下降或低于10.8V时停止放电，在检测完毕之后对该节电池单独充电。待电池电压为13.6V时停止充电，然后开始下一节电池的放电测试。所有电池测试完毕后与蓄电池连接的继电器全部断开，系统等待下一次测试指令的发送。若检测期间突然停电而被检测电池电量即将耗尽，则将备用电池接通到该串电池，经限流电阻对该接电池充电。系统结构图如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 电压检测

为保证电路高可靠性，电池组及大电流开关阵列与单片机控制电路需隔离，不能采用简单的AD转换检测。电压检测部分采用LM331压频转换芯片，先将电压转换成频率传输到单片机，再通过单片机将频率转换成电压，电压检测电路如图2所示。

LM331是一种精密电压频率转换芯片，可用作A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。其最大线性度小于0.01%，支持单电源或双电源供电，具有最大可达100dB的宽动态范围，输出频率范围在1Hz～100kHz。其内部结构如图3所示，集成有输入比较器、R-S触发器、定时比较器、能隙基准电路、精密电流源、1.9V标准参考电压、电流开关。

V/F转换电路工作原理：当7脚输入端输入正电压时，R-S触发器被触发输出高电平，输出驱动管导通，管脚3被拉低输出逻辑低电平。同时是电流开关达到右边，精密电流源对CL充电，同时也通过电阻Rt对Ct充电，当Ct两端电压大于2/3Vcc时，定时器比较器两端输出高电平使R-S触发器复位输出低电平，输出晶体管截止，3脚输出高电平，复零晶体管导通，Ct通过复零晶体管放电。电流开关打到左边， CL通过RL放电，当CL电压等于输入电压时，定时比较器再次触发使R-S触发器置位输出高电平，开始下一个循环[2-3]。设CL充电时间为t1，放电时间为t2，根据电荷平衡原理有：（IR-Vi/RL）t1=t2ViRL，t1=1.1RtCt，f=t1+t2，IR由1.90V内部参考电压和电阻Rp决定，IR=1.90/Rs整理得f=ViRp/（2.09RLRtCt），经测试发现电阻Rp精度对压频转换的结果很大，宜采用固定阻值高精度低温漂电阻。实测频率范围在0.8k～9.8kHz。

压频转换电路的输入端电压不能高于芯片供电电压，否则输出频率的线性度会受到影响，而蓄电池正常电压为10.8V～13.6V，因此需做降压处理才能接入电路。经降压处理后的输入电压范围为5.4V～6.8V，V=1.4V，由于电压变化范围较小，对应的输出频率变化不明显，电压检测精度会受到影响。而压频转换电路的输入电压有效范围为0V到供电电压之间，为了提高检测精测，将输入电压经运放进行差分放大。如图2所示，TL431产生5.25V的参考电压，VTEST为降压处理后的电压，经差分处理后的电压范围为0.75～7.75V，V=7V。改变输入电压测得的输出频率如图4所示。

从图4可以看出，输出电压与输出频率之间有很高的线性度，使用Origin软件线性拟合可以得到V-F转换关系式：F=2.824*V-29.646。经测试电压检测精度为0.13V。

2.2 电流检测

停电时需要检测线路中电流，以此来估算蓄电池组剩余电量还能工作多长时间。电流检测采用电阻取样法，选取低阻值高精度采样电阻（阻值为0.047）检测电阻两端的电压，然后通过运放将采样电阻电压放大，最后经压频转换电路传输到单片机再转换成相应的电流值。电流检测电路原理图如图5所示。

图中A、B为采样电阻两端，C为蓄电池组最后一节的正极，不检测电流时采样电阻两端被继电器短接，当单片机控制端输出高电平时光耦导通，通过光耦输出端接稳压电路为运放电路供电，同时继电器断开，采样电阻开始工作。运放放大倍数为10倍，电流检测电路中的V-F转换电路和电压检测的结构保持一致。继电器线圈两端并接一个续流二级管，防止Q16截止时线圈产生的反向电动势损坏三极管。电流检测范围为0～15A，电流检测精度可达60mA。

2.3 市电监测电路

市电监测部分主要是为了检测是否停电，以便在放电测试时监测到突然停电后及时切换备用蓄电池为设备供电。市电经阻容降压后通过光耦进行隔离，当有市电时C6两端电压处于一种低电平状态，停电后光耦输出端截止，VCC通过电阻R6对C6充电，电压逐渐升高，當单片机检测到高电平即判定为处于停电状态。图6为市电监测部分电路图。

3 停电时供电的均衡控制

蓄电池受各种参数差别的影响，在使用过程中各个电池单元性能很难保持一致[4]。且随着使用时间的增加，电池之间的差异会逐渐增大。为了防止电池组中某一节电池处于过放电的情况需要对电池组进行均衡管理，减小各节电池之间的电压差异。在停电时整个电池组开始对设备供电，每隔1分钟依次对各单串电池电压检测一遍，另外通过检测工作线路中的电流来估计蓄电池组剩余电量还能工作多长时间。如果发现其中某串电池电压偏低（低于平均电压0.3V），则将备用电池连接到该串电池。如果电量均匀下降，则将备用电池轮流与各串电池连接进行充电。

4 远程控制系统软件设计

系统采用STC12C5A60S2单片机结合TC35短信模块进行远程控制。TC35模块是西门子公司生产的一款GSM无线通信模块，工作电压为3.3～5.5V，工作在GSM 900M、1800M双频段，支持语音和数据信号传输，自适应波特率为1.2kb/s～115kb/s[5]，利用AT 指令可进行数据、指令双向传输，可实现打电话、接电话、收发短信等功能。支持Text和PDU两种格式的短信。TC35模块通过串口和接地线与单片机连接，单片机通过串口向TC35模块发送AT指令实现对其控制。测试采集到的数据通过短信息的方式经TC35发送到手机端处理。短信的发送和接收模式共有3种;Text模式、PDU模式和Block模式，Text模式的短信发送和接收比较简单[6]，由于系统只需要发送数字和字母则采用Text模式发送短信。

系统软件控制流程图如图7所示。系统初始化后就处于等待测试指令状态，开始充放电测试时，首先向短信模块内置SIM卡号发送指定内容短信，TC35模块接收到短信后，单片机提取短信内容并判断与测试短信内容相符后开始控制系统进行充放电测试。系统测试得到的数据经单片机处理后由TC35模块发送到手机端进行处理。当每节电池放完电后控制继电器开关对该节电池进行充电，充满电后继续下一节电池的充放电测试，依次循环，直到最后一节电池测试完毕。如果测试过程突然停电则停止测试，将电池组切换为对设备供电，并对蓄电池组进行供电均衡。

为了便于查看放电过程中蓄电池组电压、电流变化，开发了安卓手机客户端，app界面如图8所示。图中所示号码为TC35模块内的手机号，连续数字串为测试得到的数据，每4位数字表示电压/电流值。发送时按照电流+四节电池电压的格式，如图8所示，0464表示当前电流值为4.64A，1193表示第一电池电压为11.93V，1223表示第二节电池电压为12.23V，依次类推。点击“发短信”按钮后，手机就会向TC35模块发送指定短信，系统开始测试，手机端接收到测试数据后，对短信内容进行提取，然后将电压和电流值用折现图表示。电流系数、水平扩展分别为电流的纵向显示比例和电压的横向显示间隔。

5 结论

为了解决蓄电池核对性放电需要人工记录数据的问题，本文设计了蓄电池组远程监控均衡系统。可通过TC35短信模块实现蓄电池组自动充放电测试以及测试数据的远程传输。本系统可达到15A的大工作电流要求，将蓄电池工作电压/电流经差分处理和放大以增加检测精度、通过幅度-脉冲频率转换隔离传输到单片机，再转换为相应的电压电流值，也减小了电流采样电阻及其功耗。电压、电流隔离检测的精度分别达到0.13V、60mA。同时能应对电池容量检测刚放电完时突然断电的紧急供电需求。所有参数均可远程传输到手机端监视和处理。

【参考文献】

[1]叶松，毛源.基站蓄电池组的远程核对性放电管理[J].通信电源技术，2007，24（5）：69-71.DOI：10.3969/j.issn.1009-3664.2007.05.022.

[2]林汉.LM331压频变换器的原理及应用[J].国外电子元器件，1999（第10期）：20-22.

[3]苑舜，刘红江，蔡志远.一种光纤隔离式直流信号传输装置的设计[J].辽宁科技大学学报，2015（第5期）：366-369.

[4]林冰芳.串联电池组均衡控制系统设计与仿真[J].机电技术，2018（02）：46-49.

[5]穆佩红，闫柏玲，牛玉刚.GSM水浸报警系统的设计与实现[J].自动化仪表，2016，37（06）：43-46.

[6]叶丹霞，王家礼.GSM模块TC35及在远程监控系统中的应用[J].现代电子技术，2005（05）：62-64.