基于 Infineon XC2267M 的電池檢測系統(tǒng)設計

引言
電子科技迅猛發(fā)展，電子產(chǎn)品層出不窮，電池作為主要動力來源，其供電能力與安全可靠性日益受到關注。作為電池研發(fā)和生產(chǎn)階段不可或缺的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的性能測控人工依賴性高，檢測效率低，網(wǎng)絡、智能與自動化亦不能滿足現(xiàn)實的需求。

本文所提出的已經(jīng)實現(xiàn)并應用的解決方案能夠多路同步全程實時監(jiān)控電池的測試狀態(tài)，先完成測試前PC端的監(jiān)測配置，通過RS485接口和CAN總線實時返回繼電器在線連接狀態(tài)，再根據(jù)需求控制與測試項目類型相應繼電器的開啟。監(jiān)測開始后，電池電壓、電流及溫度等信息實時傳輸?shù)娇刂剖业腜C上，可以通過靈活在線編輯的數(shù)據(jù)曲線反映測試量的變化趨勢，同時也可由記錄的歷史數(shù)據(jù)查看關鍵點的情況。

系統(tǒng)功能需求分析
根據(jù)現(xiàn)實需求，系統(tǒng)總體需要實現(xiàn)的功能有：
(1) 信號采集與控制線路完好性測試：電池測試項目有充電、標稱短路、實測短路、過放放電、強制放電和放電保護等，測試前，能將反映實際硬件連接并與測試項目對應控制電路完好性的繼電器信號以及測量儀表當前值通過RS485和CAN反饋到PC監(jiān)控界面上。

(2) 測試安全便捷性與自動化：監(jiān)控界面應有急停按鈕，在發(fā)生意外時通過控制急停繼電器能有效切斷測試線路，同時保存當前測試狀態(tài)以便排除故障后恢復測試。測試前配置電池電壓、電流與溫度的限值，同時控制測試時間，在遇到突發(fā)情況或達到預設目標時自動終止測試。

(3) 測試數(shù)據(jù)記錄與處理：由需求確定采樣時間間隔，數(shù)據(jù)以曲線形式實時顯示，坐標時間與數(shù)據(jù)量程可自動動態(tài)調(diào)整以滿足觀察趨勢需要。數(shù)據(jù)實時存儲選擇效率高的二進制文件形式，歷史數(shù)據(jù)導出回放有兩可選項：Excel表格與曲線形式。曲線可靈活編輯，如平移、局部放大縮小和多條曲線單顯與多顯等。另外光標可跟蹤曲線移動并動態(tài)顯示數(shù)值。

系統(tǒng)硬件設計
如圖1所示，由系統(tǒng)功能需求分析知，該電池安全監(jiān)測系統(tǒng)可分為三部分，分別是數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層與位于用戶終端PC上的數(shù)據(jù)處理層。用戶通過單片機控制繼電器電路來啟動預設的測試項目，測量儀表實時顯示電池數(shù)據(jù)，并通過RS485接口由單片機采集，然后采集單片機提取整合有效的電池實時數(shù)據(jù)經(jīng)由CAN總線傳輸?shù)絇C上。電池監(jiān)測軟件實時曲線顯示并存儲接收到的電池數(shù)據(jù)，并與相關達標歷史數(shù)據(jù)等進行綜合比較，分析電池的可靠安全性。依靠層間通信協(xié)議，電池監(jiān)測系統(tǒng)的層模塊化設計提高了系統(tǒng)的可維護性與可擴展性。

圖1 電池安全項目測試系統(tǒng)總體設計框圖

本設計選用德國Infineon Technologies公司推出的擁有增強C166SV2架構的XC2267M單片機，集成了電壓調(diào)節(jié)器和多種振蕩器，具有超低耗電的待機與操作模式。測量儀表選擇上海托克智能儀表有限公司的智能數(shù)顯表，帶有RS485串行通信接口，上下限報警繼電器輸出(250V/3A)，測量頻率可達10Hz，可選量程隨測量數(shù)值動態(tài)自動切換。

1 繼電器電路控制
根據(jù)系統(tǒng)功能能夠需求分析，可知對單片機繼電器控制板的要求是測試前電池監(jiān)控電路完好性檢驗和測試結束或意外發(fā)生時及時有效切斷電路。

圖2為繼電器芯片控制電路圖，反映實際硬件連接并與測試項目對應控制電路完好性的繼電器信號通過4#ST與5#ST經(jīng)由單片機IO口與CAN總線傳輸?shù)奖O(jiān)控界面上。然而由PC監(jiān)控端通過CAN總線發(fā)出的控制命令轉化為單片機輸出引腳的高低電平，再經(jīng)由繼電器芯片引腳4#Rly與5#Rly通過引腳4#Load與5#Load控制繼電器開合。

圖2 繼電器芯片控制電路圖

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸
測量儀表與電池數(shù)據(jù)采集單片機通過MODBUS/RS485串口進行通信，網(wǎng)絡工作方式設置為半雙工，通過控制單片機輸出引腳的高低電平觸發(fā)實現(xiàn)，接口采用屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗干擾能力強，能實現(xiàn)多站點聯(lián)網(wǎng)高速率通信，并且接口信號電平低，不易損壞接口電路的芯片。

CAN(Controller Area Network)是一種具有國際標準同時性價比又較高的現(xiàn)場總線，是由德國Bosch公司為分布式系統(tǒng)在強電池干擾環(huán)境下可靠工作而開發(fā)的，該串行數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡能有效支持分布式控制和實時控制，硬件的錯誤檢定特性增強了其糾錯和抗干擾能力，高達1Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率使得實時控制得以輕易實現(xiàn)。CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點，可在節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。

一個典型的CAN節(jié)點由帶有CAN控制器的MCU和CAN收發(fā)器構成。CAN收發(fā)器建立CAN控制器與物理總線之間的連接，控制邏輯電平信號在CAN控制器和物理總線的物理層之間的傳遞。CAN控制器執(zhí)行CAN協(xié)議，用于信息緩沖和濾波。

Infineon XC2267M的MultiCAN模塊是根據(jù)CAN V2.0B active技術規(guī)范設計的，多達6個獨立的CAN節(jié)點與所有CAN節(jié)點共用的256個獨立報文對象，CAN節(jié)點位時序都來自外設時鐘(fCAN)，由一對接收和發(fā)送引腳將每個CAN節(jié)點和總線收發(fā)器連接起來，圖3為CAN控制器模塊概覽。

圖3 MultiCAN模塊概覽

圖4為CAN接口電路圖，由于Infineon XC2267M內(nèi)部集成了MultiCAN模塊，因此在外設上只需考慮CAN收發(fā)器，系統(tǒng)選用了PCA82C250T芯片，其與CAN總線的接口部分采取了安全與抗干擾措施。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了2個68pF的小電容，可濾除總線的高頻干擾。同時其與地之間分別接有一個雙向瞬變抑制二極管SMBJ6.5CA，起過壓保護作用，能在正反兩個方向吸收瞬時大脈沖功率，并把電壓鉗制到預定水平。另外芯片PCA82C250T的Rs引腳上接有一個1.6的斜率電阻，該電阻大小可根據(jù)總線通信速率適當調(diào)整。

圖4 CAN接口電路圖

上位機軟件設計
VB(Visual Basic)是一種可視化的、面向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言，具有高效、快速和界面設計功能強大的特點。圖5為基于VB開發(fā)的電池安全監(jiān)測軟件的構成框圖，實現(xiàn)功能已滿足前述系統(tǒng)功能需求分析中的要求。

圖5 電池安全監(jiān)測軟件的構成框圖

該電池測試界面控制軟件可實現(xiàn)對電池測試數(shù)據(jù)的間接采集和測試電路的監(jiān)控以及測試數(shù)據(jù)的記錄和查詢，將反映電池電壓、電流和溫度的儀表數(shù)據(jù)通過單片機和CAN總線實時顯示在PC監(jiān)控界面上，并且根據(jù)預先設定的采集測試啟動和結束條件(包括時間、電壓、電流和溫度)配置，發(fā)送信號給繼電器來控制測試項目電路的選擇和監(jiān)測啟止。

由圖6基于模塊化設計的主監(jiān)控界面，可知該電池安全項目測試平臺一次可同時完成4個項目的監(jiān)測，以“CH1項目”為例來簡述項目配置和測試流程：在圖5上位機監(jiān)測軟件構成的聯(lián)機配置正常的情況下，單擊主監(jiān)控界面的“CH1項目配置”按鈕會彈出模塊完成項目信息錄入和項目結束條件設定，在配置好采樣間隔后單擊“繼電器連通”發(fā)送控制命令開始采集。在“CH1項目配置”緊鄰右側的一欄可查看項目配置結果，如有誤可通過單擊“CH重置”按鈕重新配置。在發(fā)生意外時可單擊“中止”按鈕切斷測試電路同時保存當前狀態(tài)，同時“中止”按鈕變?yōu)?ldquo;恢復”按鈕，在排除故障后可繼續(xù)測試。

圖6 電池安全項目測試主監(jiān)控界面

結論
應現(xiàn)實需求，本文提出并設計實現(xiàn)了一種基于VB、Infineon XC2267M單片機以及CAN總線的電池安全自動化測控系統(tǒng)，文中對其硬件和軟件構成進行了詳細描述。該方案能夠多路同步全程實時監(jiān)控電池的測試狀態(tài)。同時，電池測控系統(tǒng)的層模塊化設計提高了系統(tǒng)的可維護性與可擴展性。