超级电容UPS智能监测系统设计与实现

唐武兵，关 永＋，吴立锋，王国辉，李晓娟，潘 巍

（1.首都师范大学 信息工程学院，北京100048；2.首都师范大学 高可靠嵌入式系统技术北京市工程研究中心，北京100048；3.首都师范大学 电子系统可靠性技术北京市重点实验室，北京100048）

0 引 言

由于超级电容的UPS电源系统安装在野外，工作环境恶劣，导致UPS系统故障频发和超级电容劣化加速，使得UPS的可靠性降低。又因为位置偏僻分散，UPS维护起来非常麻烦。针对这些问题，本文设计并实现了超级电容UPS智能监测系统，系统能够实时在线对UPS状态监测，发现故障立即向服务器发送警报和故障信息；提供远程操作接口，实现远程控制；对超级电容模组定期劣化检测，评估各串联支路的劣化程度。

1 系统总体设计

系统整体框架如图1所示，主要包括中央处理器模块、数据采集模块、数据存储模块、通信模块以及显示模块，各模块功能描述如下：

图1 系统框架

（1）中央处理器模块：中央处理器模块是系统的核心，其功能可分为系统控制、数据处理、分析计算。系统控制主要包括采集控制、通信控制、显示控制；数据处理主要包括对采集的信号进行滤波、整形操作；分析计算主要是对处理后的数据按照给定的算法进行分析计算，给出最终结果；

（2）数据采集模块：要采集的信号分为电压、电流、温度3类，信号经过隔离分压后通过传感器将模拟信号转换为数字信号，最后将数据传送给STM32处理；

（3）存储模块：存储模块主要是记录和储存分析结果以及故障时采集的数据信息；

（4）通信模块：通信模块负责数据的发送和接收，发送数据主要包括系统的检测结果，报警信息，接收数据主要是控制指令和数据；

（5）显示模块：实时在LCD 显示各个部分的工作状态。

系统为了能够实时监测UPS 的工作状态，在UPS 中设置了监测点，通过实时测量各监测点的电压和电流值并与预设的阈值比较来判断是否异常。为了能够对超级电容各串联支路进行劣化检测，在各支路上添加了一个继电器开关，通过控制继电器可以将该支路独立出超级电容模组，进而可以对该支路单独进行劣化检测。

2 系统硬件设计

2.1 STM32主控芯片

STM32F103VET6使用高性能的ARMCortex－M3 32位的RISC 内核，工作频率为72 MHz，可以在－40℃至＋105℃的温度范围内工作。同时，内置有128 K 高速存储器，具有丰富的I／O 端口，包含两个12 位的ADC，每个ADC提供16个外部通道，还包含3个通用16位定时器和一个PWM 定时器，两个I2C 和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN 标准和先进的通信接口［1］。其丰富的外设配置和优异的性能可以减少开发成本，缩短开发时间，能很好满足系统需求和设计要求，所以系统选择STM32F103VET6作为主控芯片。

2.2 数据采集

2.2.1 电压采集

电压采集分为巡检电压采集和超级电容充放电电压采集，电压采集范围为0 V～55 V，根据设计要求，巡检电压要求精确到0.02V，使用STM32自带的12位AD 在该电压范围内最低可精确到0.014V，所以巡检电压采集使用自带的AD。而超级电容充放电电压采集要求精确到0.001 V，通过计算至少需要16位AD 才能达到要求，系统选择的是美国ADI 公司生产的16 位AD7715 模数转换器。AD7715是AD77XX 系列芯片中的16位模数转换器，是采用∑－Δ技术的ADC 代表产品，具有噪声低 （小于550nV rms）、线性误差小 （小于±0.0015%）、温漂小等特点。AD7715还具有SPI（串行外围接口）接口，能够方便的与STM32F103VET6相连［2］。为了进一步提高其精确度，选用AD780作为基准电压源，电路连接如图2所示。

图2 AD7715原理

2.2.2 电流采集

由于电流采集点较多，为了减少成本，电流采集是利用采样电阻将电流信号转换成电压信号后，再通过STM32自带的12位AD 进行采集。

2.2.3 温度采集

由于系统工作在野外，温度变化比较大，且超级电容的C和ESR 受温度的影响很大，所以要监测系统的环境温度。温度传感器选用DALLAS 公司生产的DS18B20，DS18B20使用单线接口技术，只需一个I／O 口即可实现与单片机的双向通信；具有唯一的64位光刻标识码，支持多点组网功能；外围电路简单，仅需一个4.7k电阻即可；测量范围宽，可达－55 ℃～＋125 ℃［3］。

2.3 数据存储

由于系统在劣化检测过程中需要采集大量的电压、电流等数据，所以必须添加外部存储，本系统中选用8G 的SD卡存储各类采集信息。SD 卡支持SDIO 和SPI两种操作模式，为了保证读写速率，系统选用SDIO 操作模式［4］。

2.4 数据通信

2.4.1 串口通信

系统通过串口完成与上位机之间的通信，串行接口使用的是STM32F103VET6的USART1接口。由于系统工作在野外，上位机都是笔记本，而笔记本只提供USB 接口，所以系统选用Prolific公司生产的RS232－USB 接口转换器PL2303实现USB与RS232信号的双向转换。

2.4.2 以太网通信

由于基站提供了以太网接口，所以系统是通过以太网完成与服务器的数据通信，以太网控制器芯片选择的是Microchip推出的ENC28J60 （工业级）。ENC28J60 能很好的满足系统对封装体积、通信速率、工作温度等要求，因为它具有如下特点：只有28引脚，封装体积小，外部驱动电路简单，电路连接如图3所示；符合IEEE802.3的全部规范，与主控制器的通信通过两个中断引脚和SPI脚实现，数据传输速率最高可达10 Mb／s；工作温度范围宽，能在－40 ℃～＋85 ℃范围内正常工作［5］。

图3 ENC28J60原理

3 系统软件设计

3.1 系统程序整体流程

为了方便系统的维护和升级，系统的软件采用模块化程序设计，主要有数据采集、数据存储、故障检测、劣化评估、数据通信、LCD 显示几个功能模块。系统程序总体流程如图4所示，系统进入主函数后是初始化外设和系统变量，开启中断，因为故障检测、串口通信、劣化检测都是通过中断实现的，连接服务器读取配置参数，开启网络端口监听，进入主程序循环体，等待通信请求，如果有通信请求，系统会获取通信数据，从数据中获得指令后，对指令进行分析，执行相应操作，操作完成后将操作信息写入日志文件，更新LCD 显示。

图4 主程序流程

3.2 故障检测

由于故障检测要求实时性，所以采用定时器SysTick每10ms产生一次中断来故障检测，为了保证实时性，将SysTick定时器的中断等级设置为最高。当中断产生时，系统会依次采集每个监测点的电压电流信号，并与预设的阈值比较，阈值可以根据3σ准则和工程师经验来设置。当发现某个监测点出现异常时，为了防止误检，系统会对该监测点连续检测3次，如果3次都不在阈值范围内，系统会将故障信息封装起来，通过以太网向服务器发送故障信息，否则不做处理，故障检测流程如图5所示。

3.3 劣化检测

3.3.1 C和ESR 测试原理

超级电容容量C测试的主流方法有时间常数法，恒流充电法，恒流放电法3种［6］，相比之下，时间常数法虽然简便快捷，但是无法呈现超级电容充放电的电压变化情况；恒流充电法由于超级电容的浮充现象的存在不能准确的反应超级电容的电压变化，测得的电容量偏小；恒流放电法与恒流充电法相似，但是经过实验验证，恒流放电法受浮充影响较小，所以本系统采用恒流放电法来测量超级电容的容量C，容量计算遵循式 （1），式中I为放电电流，ΔU为电压压降，Δt为超级电容压降所需时间

图5 故障检测流程

测量超级电容等效串联电阻ESR 的方法是跳变法，跳变法是通过捕捉超级电容在放电瞬间由ESR 引起的跳变电压ΔU跳和充放电电流I，由式 （2）计算得到ESR［7］

3.3.2 劣化评估

根据IEC＿62391标准，超级电容的劣化定义为电容量C减少20%或者等效串联电阻ESR 增加到原来的两倍，所以劣化评估选择超级电容串联组的电容量C 和等效串联电阻ESR 作 为 其 劣 化 参 数［8，9］。劣 化 评 估 策 略 如 图6 所 示，需要对同一型号的超级电容串联组做大量重复性测试，形成一个具有温度阶梯的标准库，将测得的C、ESR 与相应温度下标准库中的C、ESR 比较，分别求出C 和ESR 的劣化百分比，由于在实验过程中，C 的测试相对准确稳定，所以要分别给C和ESR 的劣化百分比乘以一个权值，权值的确定可以根据实际情况而定，选择劣化值做大的作为串联组的劣化值。

图6 劣化评估策略结构

3.3.3 劣化检测流程

劣化检测可以由外部时钟产生的定期检测中断、按键中断以及服务器／上位机指令3种方式触发，检测流程如图7所示，劣化检测触发后通过控制继电器将第一列超级电容串联组独立出电容组，对其进行恒流限压充电，为了减少浮充对检测的影响，充电电流必须小于50mA 时才可停止，并且需要静置一段时间再做放电测试。为了防止突发情况，超级电容串联组必须保留一定电量，所以当电压低于Ulimit时必须停止放电。充放电测试结束后，系统取串联组静置时的端电压为跳变前电压，再利用最小二乘法拟合放电电压变化斜线，求出跳变后电压和电压的变化率，进而求出C和ESR，进行劣化评估。当所有串联组都检测完毕后，系统会将所有数据和结果封装并发送到服务器。

图7 劣化检测流程

3.4 数据通信

3.4.1 串口通信

系统与上位机的通信是通过中断实现的，当有上位机接入系统并向串口发送指令时，系统会产生一个串口中断并接收指令和数据，然后解析指令，根据指令执行相应的操作，操作完成后将操作信息写入日志文件。

3.4.2 以太网通信

系统与服务器之间的数据通信采用TCP／IP协议传输，因此系统移植了uIP1.0协议栈。uIP 是由瑞典计算机科学学院的Adam Dunkels开发，其源代码由C语言编写，并完全公开。uIP协议对TCP／IP协议进行了简化，删除了其中不常用的功能，但保留了网络通讯所必需的主要协议，将设计重点放在IP、TCP和ICMP 协议的实现上，编译好的uIP协议应用程序一般占ROM 不到30kB，内存开销少，因此特别适合移植到资源有限的嵌入式系统中［10］。

系统的以太网通信流程如图8所示，通信会在两种情况下发起，一种是当系统劣化检测完成后或者检测出故障时，由系统向服务器发送通信请求，将最新的劣化检测数据或者故障信息封装并发送给服务器；另一种是当服务器需要向系统发送指令时，服务器会向系统发送通信请求，将指令和数据封装并发送给系统，系统从数据包中取出指令并解析，然后根据指令完成相应操作。

图8 以太网通信流程

4 测试结果分析

4.1 故障检测测试

监测点1位置，通过控制监测点的电压变化来注入故障。图9为系统监测到故障后向服务器发送的故障信息，故障信息包括故障点信息和故障发生前的电压数据，可以根据故障点信息判断发生故障的模块，故障点的电压数据可供工程师分析故障原因。

4.2 故障评估测试

测试用的超级电容选用的是北京合众汇能生产的HCAP－P 2R7 407，其电容量C 为400F，等效串联电阻并未标注，利用辽宁百纳电气有限公司生产的单体超级电容ESR 测试设备测得其ESR 为10mΩ 左右。将4只超级电容串联并接入系统进行充放电实验，充放电电流均为2A，得到其充放电电压曲线如图10所示。

从图10中可以清楚的看到超级电容组在充放电过程中电压的变化过程，其中0～t1阶段为恒流限压充电，t1～t2阶段为静置，t2时刻为电压跳变时刻，t2～t3阶段为恒流放电。通过对电压电流数据进行滤波、拟合、计算3 个步骤即可求得该超级电容组的C 和ESR。为了能够排除测试的偶然性，在相同条件下进行了5次实验，得到处理后的数据见表1。表中△U 为跳变电压，DisI 为放电电流平均值，a为放电电压拟合后的斜线斜率，b为斜线常数项，C为电容量，ESR 为等效串联电阻。

图9 服务器接收的故障信息

图10 超级电容电压变化过程

由电容串联特性可以求出超级电容组C 的理论值为100F，ESR 为40mΩ，通过比较可以发现测得的C与理论值很接近且稳定，可以证明所测的C 是可信的，ESR 与理论值相差甚远是因为超级电容串联后引入了导线电阻、接触电阻等因素，为了能够验证该系统能够准确测得ESR 的变化值，在保持其它条件不变的情况下，在超级电容组中串联一个10mΩ 的电阻，测试结果见表2，其中ESR 差值是串联电阻后测得的ESR 与串联小电阻前测得的ESR 的差值，劣化程度是将ESR 差值代入劣化评估公式，以理论值40mΩ 为标准计算得到的劣化百分比。从结果上来，差值接近10mΩ 且稳定，可以证明系统能够准确的测得ESR 的变化并做出劣化评估。

表1 置入电阻前测试结果

表2 置入电阻后测试结果

5 结束语

本文根据某电力设备制造有限公司提出的需求，为其应用中的超级电容UPS设计并实现了一套智能监测系统。系统通过设置监测点和定时中断，实现了在线故障检测；通过在超级电容组中加入继电器，实现了各串联支路的控制；通过恒流放电法和跳变电压法，实现了各串联支路C和ESR 的测量，并与建立的C和ESR 的标准库比较，实现了劣化评估。经过实际测试，该系统能够快速检测出故障信号，准确的测量超级电容各串联支路的C 和ESR 并进行劣化评估，达到了设计要求。

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