基于單片機(jī)的電池安全檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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?jiǎng)恿?lái)源，其供電能力與安全可靠性日益受到關(guān)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(cè)控人工依賴(lài)性高，檢測(cè)效率低，網(wǎng)絡(luò)、智能與自動(dòng)化亦不能滿足現(xiàn)實(shí)的需求。

本文所提出的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用的解決方案能夠多路同步全程實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的測(cè)試狀態(tài)，先完成測(cè)試前PC端的監(jiān)測(cè)配置，通過(guò)RS485接口和CAN總線實(shí)時(shí)返回繼電器在線連接狀態(tài)，再根據(jù)需求控制與測(cè)試項(xiàng)目類(lèi)型相應(yīng)繼電器的開(kāi)啟。監(jiān)測(cè)開(kāi)始后，電池電壓、電流及溫度等信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂剖业腜C上，可以通過(guò)靈活在線編輯的數(shù)據(jù)曲線反映測(cè)試量的變化趨勢(shì)，同時(shí)也可由記錄的歷史數(shù)據(jù)查看關(guān)鍵點(diǎn)的情況。

系統(tǒng)功能需求分析

根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求，系統(tǒng)總體需要實(shí)現(xiàn)的功能有：

(1) 信號(hào)采集與控制線路完好性測(cè)試：電池測(cè)試項(xiàng)目有充電、標(biāo)稱(chēng)短路、實(shí)測(cè)短路、過(guò)放放電、強(qiáng)制放電和放電保護(hù)等，測(cè)試前，能將反映實(shí)際硬件連接并與測(cè)試項(xiàng)目對(duì)應(yīng)控制電路完好性的繼電器信號(hào)以及測(cè)量?jī)x表當(dāng)前值通過(guò)RS485和CAN反饋到PC監(jiān)控界面上。

(2) 測(cè)試安全便捷性與自動(dòng)化：監(jiān)控界面應(yīng)有急停按鈕，在發(fā)生意外時(shí)通過(guò)控制急停繼電器能有效切斷測(cè)試線路，同時(shí)保存當(dāng)前測(cè)試狀態(tài)以便排除故障后恢復(fù)測(cè)試。測(cè)試前配置電池電壓、電流與溫度的限值，同時(shí)控制測(cè)試時(shí)間，在遇到突發(fā)情況或達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)時(shí)自動(dòng)終止測(cè)試。

(3) 測(cè)試數(shù)據(jù)記錄與處理：由需求確定采樣時(shí)間間隔，數(shù)據(jù)以曲線形式實(shí)時(shí)顯示，坐標(biāo)時(shí)間與數(shù)據(jù)量程可自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整以滿足觀察趨勢(shì)需要。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)選擇效率高的二進(jìn)制文件形式，歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出回放有兩可選項(xiàng)：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(biāo)可跟蹤曲線移動(dòng)并動(dòng)態(tài)顯示數(shù)值。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，由系統(tǒng)功能需求分析知，該電池安全監(jiān)測(cè)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(hù)終端PC上的數(shù)據(jù)處理層。用戶(hù)通過(guò)單片機(jī)控制繼電器電路來(lái)啟動(dòng)預(yù)設(shè)的測(cè)試項(xiàng)目，測(cè)量?jī)x表實(shí)時(shí)顯示電池?cái)?shù)據(jù)，并通過(guò)RS485接口由單片機(jī)采集，然后采集單片機(jī)提取整合有效的電池實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)由CAN總線傳輸?shù)絇C上。電池監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)曲線顯示并存儲(chǔ)接收到的電池?cái)?shù)據(jù)，并與相關(guān)達(dá)標(biāo)歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)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(cè)系統(tǒng)的層模塊化設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性與可擴(kuò)展性。

圖1 電池安全項(xiàng)目測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)選用德國(guó)Infineon Technologies公司推出的擁有增強(qiáng)C166SV2架構(gòu)的XC2267M單片機(jī)，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(jī)與操作模式。測(cè)量?jī)x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(bào)警繼電器輸出(250V/3A)，測(cè)量頻率可達(dá)10Hz，可選量程隨測(cè)量數(shù)值動(dòng)態(tài)自動(dòng)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(duì)單片機(jī)繼電器控制板的要求是測(cè)試前電池監(jiān)控電路完好性檢驗(yàn)和測(cè)試結(jié)束或意外發(fā)生時(shí)及時(shí)有效切斷電路。

圖2為繼電器芯片控制電路圖，反映實(shí)際硬件連接并與測(cè)試項(xiàng)目對(duì)應(yīng)控制電路完好性的繼電器信號(hào)通過(guò)4#ST與5#ST經(jīng)由單片機(jī)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(guò)CAN總線發(fā)出的控制命令轉(zhuǎn)化為單片機(jī)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(guò)引腳4#Load與5#Load控制繼電器開(kāi)合。

圖2 繼電器芯片控制電路圖

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

測(cè)量?jī)x表與電池?cái)?shù)據(jù)采集單片機(jī)通過(guò)MODBUS/RS485串口進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)工作方式設(shè)置為半雙工，通過(guò)控制單片機(jī)輸出引腳的高低電平觸發(fā)實(shí)現(xiàn)，接口采用屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗干擾能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)高速率通信，并且接口信號(hào)電平低，不易損壞接口電路的芯片。

CAN(Controller Area Network)是一種具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)性?xún)r(jià)比又較高的現(xiàn)場(chǎng)總線，是由德國(guó)Bosch公司為分布式系統(tǒng)在強(qiáng)電池干擾環(huán)境下可靠工作而開(kāi)發(fā)的，該串行數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)能有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制，硬件的錯(cuò)誤檢定特性增強(qiáng)了其糾錯(cuò)和抗干擾能力，高達(dá)1Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率使得實(shí)時(shí)控制得以輕易實(shí)現(xiàn)。CAN總線采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu)，具有多站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)，可在節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。

一個(gè)典型的CAN節(jié)點(diǎn)由帶有CAN控制器的MCU和CAN收發(fā)器構(gòu)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(hào)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(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)的，多達(dá)6個(gè)獨(dú)立的CAN節(jié)點(diǎn)與所有CAN節(jié)點(diǎn)共用的256個(gè)獨(dú)立報(bào)文對(duì)象，CAN節(jié)點(diǎn)位時(shí)序都來(lái)自外設(shè)時(shí)鐘(fCAN)，由一對(duì)接收和發(fā)送引腳將每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)和總線收發(fā)器連接起來(lái)，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(shè)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(gè)68pF的小電容，可濾除總線的高頻干擾。同時(shí)其與地之間分別接有一個(gè)雙向瞬變抑制二極管SMBJ6.5CA，起過(guò)壓保護(hù)作用，能在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓鉗制到預(yù)定水平。另外芯片PCA82C250T的Rs引腳上接有一個(gè)1.6的斜率電阻，該電阻大小可根據(jù)總線通信速率適當(dāng)調(diào)整。

圖4 CAN接口電路圖

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

VB(Visual Basic)是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有高效、快速和界面設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。圖5為基于VB開(kāi)發(fā)的電池安全監(jiān)測(cè)軟件的構(gòu)成框圖，實(shí)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(cè)軟件的構(gòu)成框圖

該電池測(cè)試界面控制軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池測(cè)試數(shù)據(jù)的間接采集和測(cè)試電路的監(jiān)控以及測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄和查詢(xún)，將反映電池電壓、電流和溫度的儀表數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)和CAN總線實(shí)時(shí)顯示在PC監(jiān)控界面上，并且根據(jù)預(yù)先設(shè)定的采集測(cè)試啟動(dòng)和結(jié)束條件(包括時(shí)間、電壓、電流和溫度)配置，發(fā)送信號(hào)給繼電器來(lái)控制測(cè)試項(xiàng)目電路的選擇和監(jiān)測(cè)啟止。

由圖6基于模塊化設(shè)計(jì)的主監(jiān)控界面，可知該電池安全項(xiàng)目測(cè)試平臺(tái)一次可同時(shí)完成4個(gè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)，以“CH1項(xiàng)目”為例來(lái)簡(jiǎn)述項(xiàng)目配置和測(cè)試流程：在圖5上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件構(gòu)成的聯(lián)機(jī)配置正常的情況下，單擊主監(jiān)控界面的“CH1項(xiàng)目配置”按鈕會(huì)彈出模塊完成項(xiàng)目信息錄入和項(xiàng)目結(jié)束條件設(shè)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(kāi)始采集。在“CH1項(xiàng)目配置”緊鄰右側(cè)的一欄可查看項(xiàng)目配置結(jié)果，如有誤可通過(guò)單擊“CH重置”按鈕重新配置。在發(fā)生意外時(shí)可單擊“中止”按鈕切斷測(cè)試電路同時(shí)保存當(dāng)前狀態(tài)，同時(shí)“中止”按鈕變?yōu)?ldquo;恢復(fù)”按鈕，在排除故障后可繼續(xù)測(cè)試。

圖6 電池安全項(xiàng)目測(cè)試主監(jiān)控界面

結(jié)論

應(yīng)現(xiàn)實(shí)需求，本文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于VB、Infineon XC2267M單片機(jī)以及CAN總線的電池安全自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)，文中對(duì)其硬件和軟件構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)描述。該方案能夠多路同步全程實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的測(cè)試狀態(tài)。同時(shí)，電池測(cè)控系統(tǒng)的層模塊化設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性與可擴(kuò)展性。