（通信与信息系统专业论文）基于avr的蓄电池化成监控系统的研究与设计.pdf

摘要 摘要 嵌入式系统在工业控制领域所起的作用越来越明显。在8 位嵌入式处理器中，a v r 的性能尤为突出，而uc o s i i 嵌入式操作系统开放源码，功能完善，代码简单易于应 用，所以这两者的结合成为了应用研究的热点。随着网络化的日益普及，在嵌入式系统 中开始加入了以太网络接口，使得整个系统及智能化，网络化为一体。 蓄电池作为一种恒定电源，其性能稳定、价格低廉、使用时间长等特点，让它在工 业领域应用广泛。在蓄电池生产过程中，化成工艺是其重要一环，影响着电池的质量。 随着蓄电池需求量的增加，大批量的生产催生了网络化智能化蓄电池化成监控系统的诞 生。 本课题正是基于a v r + pc o s i i 平台，研究并设计一个功能扩展的带有以太网接口 的蓄电池化成监控系统，主要研究内容包括： 1 硬件系统设计。主要论述了以a v r 处理器a t m e g a l 2 8 为核心基础，以电度表芯 片c s 5 4 6 0 作为数据采集接口，以r t l 8 0 1 9 作为网络接口的电路设计，另外还包括存储 器接口电路设计，d a 控制电路设计等。 2 软件系统设计。根据具体的硬件情况完成了| lc 0 s i l 的裁减、配置和移植，完 成了各个部分的驱动程序，如串口驱动，c s 5 4 6 0 驱动等；修改了网卡驱动程序，移植了 u i p 协议栈，达到系统网络接入的初步实现。 3 设计了应用程序的多任务管理方式，力求性能稳定，结构清晰，可移植性高。 样机实现了蓄电池化成监控的基本功能。通过本课题，增加了对于实际应用开发的 经验，并加深了对嵌入式系统应用的理解。 关键词：嵌入式系统a v r uc 0 s i i监控系统 a b s t r a c t a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mh a u sp l a y e dam o r ea i l dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt 1 1 ef i e l do fi n d u s t r i a l c o n t i 0 1 ，t h ep e r f b m a n c eo fa v ri se s p e c i a l l ys u p e r i o ri n8 - b i te m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s 灶c o s i ii sa no p e no p e f a t es y s t e mt h a th a sc o m p l e t es y s t e mf h n c t i o n sa i l d i se a s yt o u s e t h e ya r eb e c o m i n gm o r ep o p u l a ri ns e v e r a la p p l i c a t i o nr e s e a r c h a l o n gw i t ht h e p o p u l 撕t ) ，o fn e 帆o r 虹n g ，e t l l e m e ti n t e r f c ei se m b e d d e di nt h ee m b e d d e ds y s t e m i tm a l ( e st h e w h o l es y s t e mi n t e l l i g e n ta n dn e 铆o r k i n gi n t oo n e a sa 虹b l ep o w e rs o u r c e ，s t o r a g eb a t t e 巧i sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lf i e l db e c a u s eo fi t s s t a b i l i 吼l o wp r i c ea n dl o n g1 i f e - s p a n f o 衄a t i o np r o c e s s i n gi sv e 巧i m p o r t a n tmp r o d u c t i o n p r o c e s s ，a si t e 矗e c t st h eq u a l i 够a sal a 增ed e m a l l df o ri t ，m a s sp r o d u c t i o nm a k e st h e i n t e l l i g e n ta n dn e t 、o r k i n gm o n i t o r i n gs y s t e mc o m eo u t t h es u b j e c ti st or e 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1 dt r a l l s p l a l l t i n gu i pp r o t o c o ls t a c kt or e a l i z ee l e m e n t a l 了n e t 、 ，o r k 缸l c t i o n 3 d e s i g n e da p p l i c a t i o no fm u l t i t a s km a n a g e m e n t t 哆t om a k ei ts t a b l e ，c l e a rs t m c t u r e a 1 1 dh i g hp o i r t a b i l i 够 e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a l la c l l i e v eb a s i c c t i o n s t l u o u 曲t h ew o r k ， d e e p e n i n gt h eu n d e r s t a n d i n go fe m b e d d e ds y s t e m sa p p l i c a t i o n s k e y w o r d ： e m b e d d e ds y s t e ma v rp c 0 s i i m o n i t o r i n gs y s t e m 河北大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育 机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 作者签名：立生堑l 毒冬一 日期：鱼翌 年厶月 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密 ( 请在以上相应方格内打“”) 作者签名： 塑壶5 塞 导师签名： 日期：堡扯年月乒r 吼弩年月上日 保护知识产权声明 蝴黻栅为c 鬻辫州撇 论文，是我个人在导师触厩：! 指导并与导师合作下取得的研究成果，研究工作及取得 的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完成的。本人完全 了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行政法规以及河北 大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书 面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反 本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人：赵幽l 日期：珥年月手日 作者签名： 逸未；赵 导师签名： 日期：丑年上月2 一日日期：呈! 丑年上月上日 日期：肆年j 月上r 第1 章引言 1 1 课题研究的背景 第1 章引言 经过几十年的发展，嵌入式系统已在很多产业中得到了广泛的应用，包括工业自动 化、国防、运输及航天领域等等，并在逐步改变着这些产业的发展。嵌入式系统是电 脑软件与硬件的综合体，是两者紧密耦合在一起的计算机系统。以应用为中心，以计算 机技术为基础，软硬件可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、 功耗的严格要求，操作系统的嵌入，保证了合理的多任务调度，资源配置的优化以及程 序的实时性、可靠性和软件质量，减少了开发时间，这比传统的无操作系统的系统装置 具有明显的优势。在工业控制领域中，使用嵌入式技术的数控机床、智能工具等正在逐 渐改变着传统工业的生产方式，而且随着信息化的日益普及，嵌入式系统的网络化功能 逐渐成为系统不可或缺的组成部分1 2 】，这也是传统控制系统无法比拟的优势。 随着生产力和科学技术的发展，蓄电池作为一种性能可靠的化学电源，其应用价值 与日俱增，已经在各个领域得到了广泛的应用。其作为一种后备电源和应急能源，地位 已无可取代。在铅酸蓄电池生产过程中，极板的化成工艺处理是其中一个关键环节【3 】。 蓄电池极板化成参数一般经过理论计算和反复试验而得到。大多数情况下，就按照这些 参数进行化成，使极板达到最佳的储能状态【4 】。这就要求化成设备必须严格按照参数表 进行工作，能为每阶段提供稳定且恒定的充放电电压、电流，并能够提供准确的累加时 间。此外，网络环境下蓄电池的化成控制成为推进蓄电池大规模生产的重要因素。独立 的化成控制器，往往需要大量的有经验的操作人员来维护，耗费了大量的精力和物力。 当把它们连成了网络后，只要在p c 机的终端就可以完成对大批量蓄电池化成的监控。 因此在蓄电池生产过程，智能化网络化的化成监控系统尤为重要。 本课题就是在这样一个背景中，利用a 、，r + c o s i i 平台开发设计了一套蓄电池化 成监控系统。 1 2 课题研究的现状和意义 对于铅酸蓄电池化成控制的传统电路，即模拟控制系统，虽然技术发展至今已经非 1 河北大学t 学硕十学何论文 常成熟。然而，其固有缺点【5 】：如需要大量的分立元件和电路板，器件数量多，制造成 本高，环境干扰容易影响系统的长期稳定性；此外，由于模拟控制系统的功耗比较大， 大规模集成比较困难；由于采用的是模拟控制方法，因此专用芯片的控制仍不够灵活， 要实现复杂、先进的控制算法很困难。对于每一个采用模拟控制的电路装置，其控制系 统都需要专门的设计。 随着计算机技术的不断发展和科技的不断进步，采用微机控制系统的智能化成监控 系统逐渐成为主流。目前所能查到的文献中，大多数还是就如何能够更有效地对蓄电池 进行充放电做一些研究，提出一些比较优秀的充放电方案，用硬件加以实现。单就化成 监控系统这一块而言，目前随着科技的不断发展，采用8 位、1 6 位甚至3 2 位的a r m 、 d s p 等微控制器作为主核心来进行设计已经成为主流，而监控器也在智能化、网络化方 面越来越成熟，这样就实现了精确控制和规模化生产。就监控部分而言，除了一些实时 性要求非常高的控制算法，如某些p w m 充放电方式，一般的实时操作系统无法满足其实 时性外，对大多数监控系统来说，嵌入操作系统实现应用功能是一种效率非常高的开发 方式，但目前多数文献中一般还是采用传统固件编写方法。在系统的网络化方面，目前 大部分的组网采用c a n 总线和r s 4 8 5 总线的方式【6 】，虽然这样的通信方式已经很成熟， 但通信距离有限，不能适应未来远程化发展的需要。如果网络的所有设备能够按照 t c p i p 协议连成网络，则我们可以凭借互联网的优势，在任何一个地方来控制设备。 作为和嵌入式系统开发的一个结合，课题只对铅酸蓄电池化成监控系统的数据采集 和网络部分进行功能性扩展。嵌入实时操作系统，使我们将更多的精力放到了代码的组 织和功能的灵活度上，而且对于增添裁剪硬件系统，我们可以更高效的编写相应的驱动 程序。使用开源t c p i p 协议栈，实现系统的远程网络化。在硬件设计上，将电度表芯 片用在了数据采集接口的设计上，可同时采集电压电流值，简化了电路，提高了精度。 本课题采用a v r8 位高档微控制器a t m e a g a l 2 8 和实时操作系统( i 订o s ) uc o s i i 设计了这套功能扩展的蓄电池化成监控系统。 本课题具有一定的实用价值和工程参考意义。 1 3 课题研究的主要工作和论文结构 1 3 1 课题研究的主要工作 2 第1 章引言 以a t m e g a l 2 8 为核心，设计整个系统的硬件构成，其中包括存储模块，数据采集模 块，数据通信模块，控制模块等。 移植嵌入式操作系统pc 0 s i i 到a v r 处理器中，完成各个硬件模块的驱动程序， 移植u i p 协议栈，初步实现系统的网络化。 编写系统要完成的任务，实现多任务调度及任务间的通信 1 3 2 论文结构 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 介绍课题研究的背景现状及意义 介绍了系统的总体设计 详细介绍了系统的硬件设计 详细介绍了系统的软件部分设计，包括pc o s i i 的介绍和移植，硬件驱 动程序( 固件) 及应用程序( 任务) 的设计，网络协议的嵌入等。 工作总结，指出不足以及进一步的工作。 河北大学t 学硕十学位论文 第2 章系统总体方案设计 2 1 蓄电池化成技术的相关知识 2 1 1 蓄电池化成的概念 在铅酸蓄电池生产过程中，极板的化成工艺处理是其中一个关键环节，在这一工序 中，将完成非活性物质向荷电活性物质的转变，使正、负极板达到所期望的荷电状态， 即有预期的电极电位。化成监控系统就是对这一工序的充放电过程进行监控的装置。 蓄电池的化成充放电过程是一个在外加电压下的复杂的化学反应的过程，化成质量 的好坏将直接影响到蓄电池的效率和使用寿命。蓄电池是一种非线性的控制对象，它的 特性在充放电过程中随着回路电流和电压的变化而变化，它的内阻也是一个不定的数 值，这就需要在系统充放电过程中，对系统的充放电的参数进行不断的调整，才能使系 统稳定的工作，满足控制的需要。根据蓄电池型号的不同，以及生产过程的不同，极板 化成过程通常包括以下方式【7 】： 1 ) 反充电方式 反充电即极板恒流放电，当原始极板插入稀硫酸后，由于多种原因有可能造成全组 极板的初始状态不平衡，此时可用一较小的电流进行反向充电以达到均衡负载的目的。 这种方式需要设置的参数是：不为零的恒定电流和限定的时间。 2 ) 静置方式 当反向充电阶段或插板结束后，因电解液与极板发生化学反应而使槽温上升，此时 需等待一段时间，待槽温下降到规定值时才可进行充电。这里只需要设定一定的时间。 3 ) 恒压充电方式 在此阶段过程中，化成槽两端自始自终用恒定不变的电压进行充电。由于极板端压 是不断上升的，因此充电电流先大后小，当电源电压与极板端压相等时，电流即停止。 需要设置一个恒定的电压值和一定的时间。 4 ) 恒流充电方式 在此阶段中始终保持一个恒定的电流进行充电。但当极板充电快要完成时，有可能 4 第2 章系统总体方案设计 造成过充使极板活性物质脱落，因此对其充电时间进行限制。 5 ) 恒压限流充电方式 此阶段首先以限定的电流进行恒流充电，当电压上升到设定的值时便转入恒压充电 进行恒压充电。这个阶段需要提供恒定电压和限制时间。 6 ) 恒流放电方式 为提高极板的储能性能，在某些充电阶段完成之后需要进行放电。通常放电阶段均 采用恒流方式。需提供恒定电流，限制电压和时间。 蓄电池极板化成过程较长，一般均需几个小时、十几个小时，对于要求较高的极板 甚至需要上百个小时。每个充放电阶段有不同的化成时间和所需的电压、电流值。对于 不同类型的极板，这些参数是不同的。这些都需要监控系统的决策控制。 2 1 2pid 调节器的概念 由蓄电池化成的概念及其几个阶段可知，蓄电池在化成过程中，需要控制电路提供 恒定电压和电流。控制电路提供恒定电流，这就需要一个p i d 调节电路，下面就来介绍 有关p i d 调节器的相关知识。 1 基本概念【8 l p i d 是比例，积分，微分的缩写。比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一 旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。p i d 调节器的表达式为： u ( t ) _ p e ( t ) + 事胁西+ w 警 其中p 是比例增益；t j 是积分时间常数；t d 是微分时间常数，e ( t ) 是输入误差。 p i d 调节系统原理框图如下： 图2 1 模拟系统p i d 控制器原理框图 河北人学丁学硕十学位论文 2 调节原理 经典p i d 控制器是一种线性控制器，调节原理为：根据给定值与实际输出值构成控 制偏差e ( t ) ，将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被 控制对象进行控制，故称为p i d 控制器。 p i d 调节的控制效果的好坏在很大程度上取决于控制器参数的选择，p i d 调节器各 校正环节的作用如下【9 】： 1 ) 比例( p ) 环节 比例控制是一种最简单的控制方式。控制器的输入与输出误差信号成比例关系。当 仅用比例控制时，系统输出存在稳态误差。比例环节能够及时成比例的反映控制系统的 偏差信号，系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用减少偏差，比例作用大，可 以加快调节减少误差，但是过大的比例。使系统的稳定性下降，甚至造成系统不稳定。 2 ) 积分( i ) 环节 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。在控制器中加入 “积分项”是为了消除稳态误差。积分项对误差取时间的积分，这样随着时间的增加积 分项变大，即便误差很小，积分项也会随时间增大而加大，这样就能推动控制器的输出 增大使稳态误差进一步减小，直到等于零，使系统进入稳态后无稳态误差，从而提高了 精度。 3 ) 微分( d ) 控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成正比例 关系。微分环节反映了偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值变得太大 之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度减小调节时间， 改善了系统的动态特性。 2 2 蓄电池化成监控系统的概念 为了对蓄电池的化成系统以及其中的监控部分有个清晰的认识，下面将具体说明。 首先就总体而言，对于一个生产车间来说，需要一个网络化环境，用p c 机来监视并控 制所有蓄电池的化成过程，其示意框图如下： 6 第2 章系统总体方案设计 图2 2 蓄电池化成与监控系统网络框图 如图所示就是化成系统整个网络结构，每个节点单元通过总线或以太网形式接入p c 终端，由p c 机进行统一监控。 节点单元包括监控板和三相可控硅电源组成的蓄电池充放电主回路和控制回路，其 结构框图如下【1 0 】： 图2 3 蓄电池冲放电主同路与控制回路原理框图 触发板与三相可控硅电源、蓄电池一起组成了充放电主回路。这部分在没有监控系 统参与的情况下，通过人为操作触发板控制六个可控硅电源同样可以对蓄电池进行充放 电操作，这就是最原始的化成系统。监控部分与触发板的连接构成了完整的蓄电池充放 电回路控制节点单元，实现了蓄电池化成的智能化与网络化。其中，q 卜q 4 是输出控制 信号，控制极板的翻转，实现正反向充电；给定就是输出的电压控制信号。本课题将对 7 河北火学1 ：学硕十学何论文 图中所示的监控系统部分的设计进行研究。下面将进行详细的说明。 2 3 系统完成的主要功能和性能指标 系统采用a v i 己和“c o s i i 平台，设计了一种功能扩展的蓄电池化成监控系统，主 要功能应该包括：对测试数据，即被测回路电流和电压瞬时值的实时采集；并能够及时 保存被测数据，可以将数据回传到上位机；能够根据实际情况作出工艺程序控制，输出 控制信号控制蓄电池的充放电过程。 系统根据具体生产要求设计性能指标【ll j ： 电流模拟量输出：o 一5 v ，对应电流值o a 到满量程最大5 0 a ； 电压模拟量输出：0 5 v ，对应电压值0 v 到满量程最大3 5 0 0 v ； 电流控制相对精度：设定恒流值0 5 ； 电压控制相对精度：设定恒压值o 5 。 2 4 系统总体方案设计 2 4 1 系统主要软硬件的选取 本课题选用a v r 控制器a t m e g a l 2 8 作为硬件核心，它采用r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 结构，1 2 8 k b 可在系统编程应用编程 f l a s h 程序存储器，4 k be e p r o m ，4 k bs r a m ，丰富的片内资源很方便运行一个小型的操 作系统，可以嵌入t c p i p 协议【1 2 1 。支持i i c 和s p i 总线，支持并行总线的扩展，从 而方便了系统硬件的外扩。 c s 5 4 6 0 a 芯片负责采集极板的电流电压瞬时值，这是一种带有能量计算引擎的c m o s 单芯片功率测量装置，可以测量瞬时电流，瞬时电压，瞬时功率，能量，r m s 电流和r m s 电压，它采用s p i 接口与主机连接。 r t l 8 0 1 9 a s 是一种高度集成的1 0 m b 以太网控制器，与n e 2 0 0 0 兼容，支持8 位、 1 6 位数据总线；内置1 6 k bs r a m 缓存；可连接同轴电缆和双绞线，并可自动检测所连 接的介质，为系统的以太网接入提供硬件接口。 uc o s i i 是一个只有内核的嵌入式实时操作系统，但是它结构简洁，可读性强， 而且功能齐全，可移植性高，另外在稳定性和安全性方面得到了实践检验，可以用于实 r 第2 罩系统总体方案设计 际应用中。 u i p 0 9 是一个适用于8 1 6 位机上的小型嵌入式t c p i p 协议栈，简单易用，资源占用 少。它去掉了许多全功能协议栈中不常用的功能，而保留网络通信所必要的协议机制。 其设计重点放在i p 、i c m p 和t c p 协议的实现上，将这三个模块合为一个有机的整体，而 将u d p 和a r p 协议实现作为可选模块【1 3 】。 2 4 2 系统总体构成框图 图2 4 蓄电池化成监控系统框图 图2 4 是本课题采用的系统框图。采用操作系统，编写硬件驱动程序，设计上层应 用程序即任务，通过操作系统的调度实现任务间切换。 2 5 系统硬件设计方案 9 河北大学t 学硕十学位论文 图2 5 蓄电池化成控制系统整体硬件框图 图2 5 是蓄电池化成控制系统的硬件部分的整体框图。下面讲述系统硬件各部分的 具体功能( 可控硅电路不在设计范围内) ： 存储单元：存储采集数据，存储控制参数； 通信单元：以两种形式( 4 8 5 总线和以太网) 实现系统与上位机的通信； 时钟单元：为系统提供时间； 电源输入单元：为系统提供需要的电源； 数据采集单元：实时采集电压电流瞬时值，跟踪被测数据变化； 化成控制单元：实现对化成过程，即充放电过程的决策控制； 核心控制单元：负责系统的功能调度 可控硅电源放大电路：如前所述，由于监控系统提供的控制信号较小( o 5 v ) ，而 对蓄电池极板的充放电控制需要0 3 5 0 v ，5 a 的大信号，因此就需要用到可控硅电源， 起到信号放大的作用，它通过控制可控硅的导通角来实现信号的比例放大【1 4 】。 1 0 第2 章系统总体方案设计 2 6 系统软件设计方案 图2 6 蓄电池化成控制系统软件框图 本科题采用基于pc 0 s i i 的多任务处理软件设计。pc 0 s i i 面向中小型嵌入式系 统，占用空间少、执行效率高、实时性好，且针对新处理器的移植相对简单，同时源码 开放、网络资源丰富。| lc 0 s i i 可以简单的视为一个多任务调度器，在这个任务调度 器之上完善并添加了和多任务操作系统相关的系统服务，如信号量、邮箱等。 采用多任务的设计方法使软件的结构更清晰，简化了软件开发的复杂度，提高了系 统开发的效率和可移植性。另外，测试uc o s i i 多任务实时内核并不复杂，甚至可以 在没有应用程序的情况下测试。这样做有两个好处：第一，避免使本来就复杂的事情更 加复杂；第二，如果出现问题，可以知道问题出在内核代码上而不是应用程序。开始可 以运行一些简单的任务和时钟节拍中断服务例程，一旦多任务调度成功地运行了，就可 以添加应用程序的任务了。 河北人学t 学硕+ 学位论文 第3 章蓄电池化成监控系统的硬件设计 3 1 硬件实现系统框图 图3 一l 硬件实现系统框图 图3 1 是系统硬件实现更加具体的框图。前一章已经就系统各个部分的功能进行了 介绍，这里就一些具体细节做些补充。首先，系统所用存储器分为两种：一种是存储工 艺程序，也就是输出电压值及控制时间的参数的串行存储器a t 2 4 c 0 4 ，一种是存储采集 数据的并行存储器a m 2 9 f 0 4 0 b ；其次，由于系统用于工业控制领域，要求抗干扰能力 1 2 第3 章蓄电池化成嗡控系统的硬件设计 比较强，所以系统对电源及相关的外部接口进行了光电隔离操作；再次，系统采用i s p 直接下载调试的方法。详细的内容将在本章下面几节中分别阐述。 3 2 最小系统设计 图3 2最小系统 图3 2 是蓄电池监控系统工作的最小系统，核心采用a 、，r 控制器a t m e g a l 2 8 ，兼 容a t m e g a l 0 3 。 系统采用1 6 m 晶振，因此需要设置内部熔丝位c k o p t = 0 ，c k s e l = 1 1 1 1 【1 5 】。 系统采用i s p 下载编程功能，需要将i 迮s e t 引脚拉低，因此i 8 电阻不能省掉16 1 。 a 、厂r 的软件环境选用i c c a v r + a v rs t u d i o 。 3 3 蓄电池监控系统外围电路设计 3 3 1 数据采集单元设计 系统需要采集电压和电流的瞬时值，常用的方法是设计两路d 转换电路，用两片 1 3 河北大学t 学硕十学位论文 a ，d 转换器分别提取电压值和电流值。本课题采用一种新的方法，用一块芯片c s 5 4 6 0 来完成工作。因为它不仅能得到瞬时电流电压，还能得到瞬时功率，能量，r m s 电流和 r m s 电压，因此这样做的优点不仅可以减少硬件的复杂度，使布线更简单，而且还可以 扩展应用。下面介绍有关c s 5 4 6 0 的相关知识及硬件设计。 3 3 1 1c s 5 4 6 0 概述【1 7 。2 1 】 c s 5 4 6 0 是美国c i r r u sl o g i c 公司推出的一款多功能、高精度能量测量集成芯片。 它内部集成了2 个模数转换器，一个功率计算引擎，一个能量到脉冲的转换器，和 一个串行接口。 1 主要引脚说明 x o u t c p u c l k v d + d g n d s c l k s d o c s m o d e v i n + v i 悼 v r e f o u t v r e f n p f m o n l i n + n n - 蚴+ v a | 图3 3c s 5 4 6 0 a 的引脚分配图 x o u t ，x 工n ：晶片输出和输入，外接一个晶振，为片上系统提供时钟。另外，一个外部 时钟连接到x i n 引脚也可以为器件提供系统时钟。 s c l k ： 串行输入引脚。当c s 为低时，为从s d i 引脚到接收缓冲和从 发送缓冲到s d 0 引脚的数据提供时钟。 c s ： 低电平有效，激活串行接口。 s d 0 ：串行数据输出引脚。当c s 为高时，s d 0 被迫进入高阻态。 s d i ： 串行口数据输入引脚。数据以s c l k 决定的速率输入。 v i n + ，v i n 一：电压通道的差分模拟输入引脚。 1 4 一乳一盯 一汇 眦叭一雕一趴一!；一氏c删洲一一一刚一咐一|坌 4 3 2 1 o 9 8 7 6 5 4 3纵娼丝约伯倡仃饱俘协俘 0 1 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 第3 章莆电池化成临控系统的硬什设计 i i n 一，i i n + ：电流通道的差分模拟输入引脚。 v d + ：数字正电源 d g n d ：数字地 v a + ： 模拟正电源 a g n d ：模拟地 系统主要用到这几个引脚，其他引脚说明可以阅读c s 5 4 6 0 a 的说明书。 2 主要命令说明 所有命令长度都为1 个字节。写寄存器必须跟随3 字节数据，读命令可以与其他命 令链式工作( 读数据时，可以发送新的命令，并可以在原来的读取结束前执行) ，所有 的命令除了寄存器读，寄存器写和s y n c 0 s y n c l 将终止任何当前执行命令。 1 ) 启动转换 启动采集测量和计算，有两种采集模式： c 采集测量模式： 卜执行单计算周期 l 执行连续计算周期 2 ) 同步字o 和同步字1 串口可通过c s 有效或通过发送3 个或更多同步字1 跟随一个同步字o 来进行初始 化。同步字0 和同步字l 也可以在数据输出o 进行发送。 s y n c卜串口同步序列的最后一个字节 1 用于读操作和串行口初始化 3 ) 上电和暂停 如果设备掉电，则此命令启动一次上电复位。如果已经上电，所有的计算将被暂停。 4 ) 校准控制 设备可以执行系统偏置校准和增益校准。校准前，用户须提供适当输入。掉电状态 河北大学1 ：学硕十学位论文 c v ，c i 5 ) 寄存器读写 指定校准通道 0 0 _ 一禁止 0 1 校准电流通道 1 卜校准电流通道 1 1 电压通道和电流通道同时校准 指定增益校准 卜正常运行 1 执行直流增益校准 指定偏置校准 卜正常运行 1 执行直流偏置校准 。w ，rr a 4r a 3r a 2r a lr a o0 读写通知命令译码器有一个寄存器访问需求。读操作时，被寻址寄存器被加载到 一个输出缓冲通过s c l k 输出。写操作时，数据进入一个输入缓冲，通过2 4 个完整时钟 被送入被寻址的寄存器。 w 茛读写控制 卜读 1 写 r a 4 ：0 寄存器地址位。其中主要的寄存器地址： 地址r a 4 ：o 名称描述 0 0 0 0 0 c o n f i g配置寄存器 0 0 0 0 1l o f f 电流偏置校准 0 0 0 l o l g n电流增益校准 0 0 0 1 1v o f f 电压偏置校准 0 0 1 0 0 v g n电压增益校准 0 0 1 0 l c y c l ec o u n t 周期计数 0 0 11 1i 瞬时电流 1 6 0 1 0 0 0 0 1 11 1 第3 章蓄咆池化成监控系统的硬什设计 v s t a t u s 3 主要寄存器说明 1 ) 配置寄存器( c o n f i g ) 地址：( r a 4 ：0 = 0 x o o ) 瞬时电压 状态寄存器 2 32 22 12 01 9181 7 1 6 1 51 41 31 21 1l o9 8 默认值0 x o o o 0 0 1 p c i 6 ：o 相位补偿。以2 的补码形式设定了一个电压通道相对于电流通道的延时。默 认设置是0 0 0 0 0 0 0 b = 0 0 2 1 5 度相位延时在6 0 h z ( m c l k = 4 0 9 6 m h z ) 。 g i 设置电流增益放大。 o = 增益为1 0 ( 默认) 1 = 增益为5 0 v h p f i h p f 控制电流电压通道高通滤波器的使用 o = 高通滤波被禁止( 缺省) l = 高通滤波有效 i c p uc p u c l k 时钟取反，目的是减少模拟信号被采样时的噪声电压。在采样时刻 c p u c l k 驱动的逻辑变为无效。 0 = 正常操作( 默认) 1 = 当c p u c l k 驱动上升沿逻辑时减少噪声 k 3 ：o 时钟分频器。一个4 位二进制数用来分频m c l k 的值产生内部时钟。内部 时钟频率为d c l k = m c l k k ，有效值是1 ，2 ，4 。 o 0 0 1 = 除以1 ( 缺省) 0 0 l o = 除以2 1 7 河北大学t 学硕十学何论文 0 1 0 0 = 除以4 2 ) 状态寄存器( r a 4 ：o 】- 0 x 0 f ) & 屏蔽寄存器( r a 4 ：0 - 0 x 1 a ) 2 3 2 22 l 2 0 1 9 1 81 71 6 1 51 4 1 31 2 1 l 1 098 765432l0 i d li d ow d tv o di o dl s d0i c 默认值0 x 0 0 0 0 0 l ( 状态寄存器) ；0 x o o o 0 0 0 ( 屏蔽寄存器) d r d y数据就绪。在校准和转换周期结束时被置位， c r d y转换准备好。指示一个新的转换准备好。这将以输出字速率发生。 当测量的是瞬时值时，同d r d y 。 i o r电流超出范围。当瞬时电流溢出时此位置位。 v o r电压超出范围。当瞬时电压溢出时此位置位。 3 ) i ，v ，p ，e 符号输出寄存器结果( r a 4 ：o = 0 x 0 7 一o x 0 a ) 是上一次的测量结果，值域为一1 0 i ，v ，p ，e 1 0 。 4 ) 电流偏置寄存器( r a 4 ：o = o x 0 1 ) 电压偏置寄存器( r a 4 ：0 = o x 0 3 ) 复位时，寄存器初始化为0 ，需要在第一次数据测量时首先进行偏置测量，也就是 调o ，结果自动存在这个寄存器中。 5 ) 电流增益寄存器( r a 【4 ：o 】= o x 0 2 ) & 电压增益寄存器( r a 【4 ：o 】- 0 x 0 4 ) 复位时，寄存器初始化为1 0 ，第一次测量同样需要先进行满量程增益测量，结果 存入这个寄存器中。 4 工作原理 c s 5 4 6 0 的两个差分输入通道电压通道和电流通道的差分输入电压最大量程均 为2 5 0 m v 。电压通道配有一个固定的1 0 倍增益放大器。可以应用到电压通道的满量程信 1 8 第3 章蓄电池化成监控系统的硬f ，| 设计 号电平为2 5 0 m v 。为满足不同的电流感应元件，电流通道集成了两个可编程增益放大器 带两个可编程的增益输入。配置寄存器的位g i 决定了两种增益选择和相应的最大输入 信号电平。 表3 1 电流通道增益选择 g i 增益 最大输入范围 o1 0 x2 5 0 m v l 5 0 x5 0 m v 所有的测量结果都是满量程的百分比形式，数值寄存器均为2 4 位。有符号寄存器 以2 的补码格式存储数据，标称数据范围为一1 + 1 。无符号寄存器的标称数据范围为o 1 。( 2 2 3 1 ) 2 2 3 = 0 9 9 9 9 9 9 8 8 是寄存器的最大值。每一个瞬时值测完，状态寄存器中 的c r d y 位被置位，如果周期计数寄存器值设为1 ，则输出结果为瞬时值，d r d y 位和c r d y 一样，在一个瞬时值测量结束时会置位。计算周期频率值公式( m c l k k ) ( 1 0 2 4 木n ) ，m c l k 为c s 5 4 6 0 的主时钟，由4 0 9 6 删z 的晶振提供，n = l ，k = 1 ，因此瞬时值计算频率是4 0 0 0 h z 。 3 3 1 2 芯片的测量和校准【2 2 1 需要说明的是，c s 5 4 6 0 的输入信号都是m v 级的小信号，而被测电压一般都是v 级 的大信号。因此在芯片的电压输入端要设计一个分压电路，选择合适电阻，把被测信号 的范围比例分压在芯片输入端的允许范围之内，也就是芯片的输入端信号最大值不超过 2 5 0 m v 。要得到被测电压，即回路两端( 本课题中的蓄电池极板间) 电压的真实数值， 需要将采集数值除以分压系数( 被测电阻与总电阻的比值) 。电流输入端测量的也是电 压值，同样选择合适的电阻把信号调整在输入有效范围内，经过转换得到电流值。在第 一次测量数据之前要进行偏置校准，也就是调o 校准；还要对其进行增益校准，也就是 满量程校准。其连接示意图如下所示： 1 9 河北人学下学硕十学伊论文 b 。厂 刑+ j r l 乙 c s 5 4 6 0 r 3 厂 l 一 i i n 图3 4电流通道测量校准连接示意图 上 r 1 王 砣i v 时 c s 5 4 6 0 r 4 厂 i 一 v i n 图3 5 电压通道测量校准连接示意图 图中a b 是被测端，在本课题中就是蓄电池极板化成回路。将要测量其电流值和端 电压值。如前所述，电流通道输入的也是电压值，而要得到电流值需要计算公式：i = v r 。 对于电流通道，r 1 即是需要选择的电阻值，这里选择r l = o 0 5 q ；对于电压通道，r 1 、 r 2 即是需要选择的分压电阻，这里选择r 1 = 1 4 kq ，r 2 = 1q 。 第3 章蓄电池化成峪控系统的硬f ， ：设计 在测量数据之前要进行校准操作。执行偏置校准时，a b 端断开，保证o 信号输入； 执行增益校准时，a b 端输入设定为满量程信号。然后发送校准命令进行校准。校准值被 自动存在了偏置增益寄存器中。注意，寄存器中的值是掉电丢失的，需要把这些值存 放在掉电非易失的存储器中，每次加电的时候再把它们加载进去。 3 3 1 3 电路连接图 c 1 2 o h d u 图3 6 数据采集接口电路图 系统选择4 0 9 6 m 晶振，c s 5 4 6 0 与控制器接口通信是s p i 串行方式，设计采用4 线 连接，c s ( 片选) ，s c l k ( 串行位时钟) 和两条数据线s d i ( 串行数据输入) ，s d o ( 串行数据输 出) ，分别连接a v r 的相应s p i 控制接口。当输入为交流信号时，输入端口前要加电容 和电阻，起滤波和输入保护作用，由于本系统采集直流瞬时值，因此去掉了它们。 3 3 2 存储单元设计 2 l 河北人学。t ：学硕十学何论文 系统采用i i c 总线形式的a t 2 4 c 0 4 存储控制参数，外扩4 m b i tf l a s ha m 2 9 f 0 4 0 存 储采集数据。 1 串行存储器电路设计 v c c g n d 图3 7 串行存储器电路图 a 0 到a 2 是设备地址线，因为就使用一块a t 2 4 c 0 4 ，所以这里接地。 2 并行存储器电路设计 1 ) a v r 数据存储器空间分配【2 3 】 通用寄存器映射空间 0 0 2 0 h i o 寄存器映射空间 0 0 6 0 h 扩展i o 寄存器映射空间 o l o o h 内部r a m 空间 l l o o h 外部扩展r a m 空间 o f f f f h 。 图3 8 常规模式数据存储器空间组织图 a t m e g a l 2 8 的数据存储空间的前4 3 5 2 个地址分配给了内部寄存器和内部s r a m ，a v r 的最大寻址空间是6 4 k ，因此常规模式下外部扩展数据存储空间为6 1 1 8 4 字节，起始地 2 2 第3 章蓄电池化成监控系统的硬什设计 址是1 1 0 0 h 。 2 ) 电路图设计 v c c q 7 q 6 q 5 q 4 q 3 q 2 q 1 q 0 l e 图3 9 并行存储器电路图 存储器采用1 6 位地址线，为了节约控制器i o 口，硬件采用锁存器，数据位与低 8 位地