无线瓦斯巡检仪电源智能监控设计

 随着矿山物联网技术的发展，未来应用于煤矿井下的各种便携式设备将会越来越多[1]。煤矿井下便携式设备使用环境要求苛刻，需保证电池电源的有效性和安全性，当前井下应用的矿灯、便携式瓦斯检测仪等设备均未具备电源状态的提示功能，亟需改进。笔者在前期的研究中一直致力于井下无线瓦斯监测设备的研制，如无线瓦斯报警矿灯[2]、无线瓦斯巡检仪[3]等，该类设备因增加了无线功能，使得能量消耗增大，这就需要实时提示用户当前的电池能量状况，为实现上述要求，本文采用电池监测芯片DS2438，结合STC89C52RD单片机，针对无线瓦斯巡检仪，设计了一种智能电池电量监测系统，实现了对电池温度、剩余电量等参数的实时监测。
1 无线瓦斯巡检仪介绍[3]
无线瓦斯巡检仪是笔者前期研究的矿井移动瓦斯监测设备，通过无线射频技术将瓦斯检测数据无线接入到安全监控系统中。其硬件结构由红外瓦斯传感器、控制单元、LCD显示器、声光报警电路、功能键盘电路、时钟电路、无线通信模块和电源模块等部分组成，如图1。无线瓦斯巡检仪能实时检测显示作业点瓦斯浓度、超限自动报警、浓度数据存储等功能。电池状态的实时监测是该瓦检仪应用的必要辅助功能，主要采用DS2438智能电池监测芯片来实现。
2 电源监控电路及工作原理
2.1 DS2438芯片及电路结构 DS2438芯片具有监测电池电压、电流、剩余电量和电池温度等功能[4]。具有独特的1-Wire接口，仅需一个端口引脚即可进行通信；能为电池组提供唯一的64位序列号；具备片上电池温度检测，省去了热敏电阻；能采用片上A/D转换器监视电池电压，以作为终止充电和终止放电的判据；集成电流累积器用于记录进入和流出电池的电流总量；具有40字节的非易失EEPROM存储器，可用于存储重要的电池参数；工作温度范围-40°C至+85°C。该芯片和微处理器组成的电路结构如图2所示。
GND为接地；VCC电压接5.0V；NC悬空；DQ为数据输入输出端，接MCU微处理器的P2.X端口；VSENS+为电池测量电流输入（+），VSENS-为电池测量电流输入（-），两者之间接外部检测电阻R1；VAD为通用电压A/D采样输入端，接待测电压。
DS2438通过一条总线通信（DQ-P2.X），存储器和控制函数在程序存储器函数协议建立起后生效。程序存储器函数命令包括读ROM、匹配ROM、搜索ROM和跳过ROM四种。这些命令可以操作每个设备上的64位光刻ROM部分，并且如果一条总线上有多个设备存在，可以锁定一个特定的设备。微处理器发布控制函数命令去指示DS2438执行温度测量或电池电压A/D转换。这些测量的结果将被存放在DS2438的存储器映射中，通过发送存储器函数命令能读取电压寄存器和电流测量值。
2.2 电池电压测量 DS2438内置了一个10位电压A/D转换器，用于电池的端电压测量。当DS2438收到转换电压命令时，A/D转换器将对VAD引脚电压进行数字转换，结果存放在2字节电压寄存器中，转换时间为4ms。电压测量范围0～10V，分辨率为10mV。无线瓦斯巡检仪电池为非串联的单节锂电池，稳定电压3.7V，因而无需采用电阻分压电路，可直接对充电过程中电池的电压参数进行测量。本电路中待测电池电压也是DS2438的供电电压，当电池电压低于2.4V时，电压模数转换的准确性下降，执行转换的能力受到DS2438的操作电压范围的限制，因此采用B0305LS升压器件设计了一个3V-5V的升压电路，为芯片提供5V电源。
2.3 电池电流及剩余电量测量 DS2438模数转换器以通过测量外部检测电阻R1两端的电压来有效检测流入、流出电池的电流。模数转换器将在后台以每秒36.41次的频率自动采样，无需命令启动，测量结果以二进制补码格式保存在电流寄存器中。转换结果的符号位，表明充电还是放电，存储在电流寄存器的最高有效位中。在测量电路中，VSENS+端与R1电阻相关；对于VSENS-，在该管脚和R1的接地端之间接一个由阻值为100K？赘的电阻R2和0.1？滋F的钽电容C1组成的RC低通滤波电路，这个滤波器能消除大部分的尖峰毛刺的影响，从而使电流累加器准确的反映流入和流出电池的总电荷[5]。电池的电流由下面公式计算得出。
I=电流寄存器值/（4096×R1）（1）
DS2438用集成电流累加器（ICA）跟踪电池的剩余容量，ICA是一个按比例的8位易失二进制计数器，保存流进和流出电池的电流总和的净累积。上述电流寄存器中的值用于增加或减少ICA寄存器的值。剩余的电池容量用下面方程计算得出。剩余容量=ICA/（2048×R1）（2）
由于电流模数转换器精度是正负2最低有效位，在测量很小的电流时有可能不精确，当累计足够长的时间后，这些误差累计可导致ICA错误。DS2438采用阈值寄存器指定一个电流阀值，在此之上测量值将在ICA上累积，低于阈值将不被累积，从而滤除这些潜在的误差。
2.4 电池温度测量 电池温度是仪器充放电及工作时的一个重要指标，当电池出现故障时，往往会偏离正常工作温度范围，因此有必要对无线瓦斯巡检仪的电池工作温度进行实时监测，提高仪器的安全性能。设计中，将DS2438芯片紧贴于被测电池上，DS2438通过片内集成温度传感器对电池的温度进行测量，测量结果存入温度寄存器中，并通过单总线传输给微处理器。温度数据采用13位二进制补码格式，分辨率为0.03125°C，测温范围为-55℃～125℃。
3 电源监控软件设计
3.1 电源监控功能程序的实现方式 电源监控功能是无线瓦斯巡检仪系统软件中的一个部分，为满足监测的实时性要求，在实现中采用系统微处理器（单片机）定时中断的方式访问DS2438，进行电池各项参数的采集。首先在主程序中设置单片机的计数器为定时方式，开启计数器，定时长度可根据需要调整，当前设置为5min。主程序启动后，等待定时中断的到来。定时中断发生之后进入中断服务程序，调用DS2438控制操作程序，进行数据采集，并将采集来的数据进行处理和显示，最后重新初始化定时中断，返回。
3.2 电池电压和温度测量子程序 电池电压和温度值的获取，只需由单片机对DS243发出采集电压、温度的控制命令，然后等待DS2438完成数据采集，并将电压和温度的测量值存入到相应的寄存器，最后由单片机读取电压寄存器和温度寄存器的内容即可。在读取寄存器值时，判断DQ引脚电平，为低电平时，表示DS2438正在进行电压、温度转换，需等待延时10ms，当DQ引脚电平为高时，读取数据。
3.3 电池剩余电量测量子程序 依据前述介绍，电池的剩余电量由电流积分累加（ICA）寄存器的值求得。ICA的值由DS2438定时自动测量更改完成，无需对其进行控制，只需单片机读出ICA 寄存器的值，然后将所得值代入公式（2）计算后，便可得到电池的剩余电量[6]。该部分测量子程序流程见图3。
在读取寄存器的值时，为防止读取错误，采用预先判断DS2438是否正在修改寄存器值的方式，该方式通过对状态/标志寄存器中的非易失性存储器忙碌标志NVB位进行判断实现。当NVB为 “1”时，表示从中间结果暂存器复制到EEPROM正在进行；当NVB为“0”时，表示非易失性存储器不忙。复制到EEPROM可能要花费2ms到10ms，一般在程序中引入一个延时子程序来实现。
4 结论
经过实验测试，基于DS2438芯片实现的电源智能监测电路能实现无线瓦斯巡检仪电源的温度、电压、剩余电量和剩余工作时间监测。这部分功能的实现有助于提升无线瓦斯巡检仪的电池安全性，同时辅助瓦检员在瓦检工作中能实时掌握瓦检仪的剩余工作时间。该电源智能监控设计将能为其他井下便携式设备的电源监控设计提供有益参考。