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信号产生模块：根据交流注入法的思想，蓄电池两端必须引入交流信号，交流信号的频率大小由蓄电池的特性所决定，经研究，蓄电池在低频段内阻有较好的线性特性；本方案中信号采用的是正弦信号，信号频率是f=20Hz，信号电压峰-峰值设定为up-p=5V。
由于蓄电池的内阻是毫欧级，交流信号发生器产生的信号电流值无法满足电路检测的要求，在电路后端需要对其信号进行功率放大，放大后的电流值峰-峰值设定为ip-p=800mA。模块如图5所示：
图5 信号产生模块
其中，Part1部分是产生正弦交流信号部分，Part2是功率放大电路。功率放大的信号经过隔直电容接入到蓄电池的两端。
端电压检测模块：由于蓄电池的内阻总是存在的，加载在两端的的交流信号将产生压差，端电压信号由隔直电容接入到检测电路。检测电路由差分放大电路和高频滤波电路构成。由于蓄电池两端的电压值是微伏级，为此，电路需要高放大倍数、有强抗干扰能力、低温漂的放大器件，本方案中选择AD620仪表放大器。如图6所示：
图6 端电压检测模块
本方案设计是在蓄电池充电或浮充的状态下在线检测内阻的，通常蓄电池是用UPS充电，而UPS与市电连接，所以，在线状态下的蓄电池会有很强的高频干扰。信号放大后需进行高频滤波，滤掉高次谐波，保留原有的低频部分。滤波后的电压信号将是本系统所需要的蓄电池端电压信号。
在端电压检测模块和信号模块产生模块中，考虑到导线的电阻对检测精度的影响，本方案中采用了四线法接入到蓄电池两端(如图4)，交流信号注入采用等长双导线，端电压检测采用另外一对等长双导线。
电流检测模块：为了能检测到通过蓄电池的交流电流信号的大小，在交流信号的注入端串联一只标准电阻，标准电阻电压与电流同相，检测标准电阻端电压就可以算出流过该电阻电流，由于采用了四线法，流过标准电阻的电流等同于蓄电池电流。本方案中采用标注电阻值是1欧姆2瓦。为了能达到系统所需要的电压值范围，需对电阻的端电压信号进行适当地放大。具体如图7所示：
图7 电流检测模块
电压与电流相位检测模块：分析蓄电池的内阻模型得知，蓄电池内部存在一定感性或容性值，在不同的频率条件下表现出不同特性，电压与电流产生相位差。具体如图8所示：
图8 相位检测
其中，u1(t)表示蓄电池端电压的信号，u2(t)表示信号源注入电压信号，u(t)表示u1(t)与u2(t)乘积信号。
蓄电池端电压的信号u1(t)=A *cos(ωt+θ)，其中ω 表示注入交流信号的频率，θ表示蓄电池的端电压偏移的相位，A表示信号幅值；信号源注入电压信号u2(t)=B*cos(ωt)，其中ω表示注入交流信号的频率，B表示注入电压信号幅值。所以两信号乘积后等于
 其中，K表示乘法器的系数。
u(t)信号由低通滤波器滤掉低频部分，最后得到系统所需要的相位差的余弦值 。
环境温度检测模块：蓄电池工作的环境温度对蓄电池性能产生重要的影响，机房的温度过高直接影响蓄电池的寿命，所以实时检测蓄电池温度，保持机房恒温非常必要。具体电路实现如图9所示：
图9 温度检测模块
传感器部分采用了桥式测量法，精确测量温度变化，传感器信号然后经过差分放大送到系统主控制芯片。
FPGA模块：蓄电池端电压u1(t)和蓄电池电流i(t)(1欧姆标准电阻的电压值等于蓄电池电流值)，分别由模拟开关控制输入到有效值变换器，两路交流电压信号和电流信号经过有效值变换器得到直流信号，然后由AD变换成数字信号送到FPGA模块进行信号处理；同时，由相位检测电路检测出的蓄电池端电压与电流的相位差，经过直流放大和AD转换后送到FPGA模块。最终，FPGA模块得到蓄电池的端电压信号，电流信号及相位差。所以蓄电池的内阻值可以有如下的公式计算出：
 其中，U,I是电压和电流的有效值，θ是两者的相位差。
利用FPGA模块高效计算能力可以实时计算蓄电池内阻值，随后，把该阻值送到单片机进行处理。具体电路如图10所示：
图10 FPGA模块
单片机控制模块：该模块主要有单片机、键盘、液晶显示和PC 通信组成。单片机主要控制系统中的各开关量，接收温度传感信号，响应按键信号，输出显示信号，以及与PC机通信。具体描述如下：
- 开关量的控制：交流信号接入开关分量，蓄电池端电压接入系统开关分量，模拟开关选择开关分量。
- 人机接口：置入单片机的按键信号分别是系统复位，模式选择(数字显示模式，曲线显示模式)，与PC机通信。其中LCD液晶显示的是内阻值，当前蓄电池电压值，充电电流值，环境温度。
- 微处理器：进行数据处理，分析与计算各数据，重要数据输送到Flash保存，异常情况报警，以及与控制各模块。
PC机界面：读取微处理器的数据，在图像界面下对各参数分析，图形和数字显示，判断蓄电池当前的运行状态，发现异常问题时报警。 |
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