基于芯片DS2438的电动车能量管理系统的设计

毕业论文标题基于芯片DS2438的电动车能量管理系统的设计系部电子信息专业目录摘要1引言21硬件设计311系统硬件实现312主控及液晶显示模块413LIN总线514LIN总线通信电路62软件设计821DS2438芯片介绍822DS2438的应用823DS2438的功能特点1124系统功能软件实现及流程图1225供电方式的监测1326电池电压、温度的测量1427剩余电量的监测1428软件编程及测试15结论16参考文献17致谢180摘要介绍了一种以DS2438芯片为采集器、以ATMEG16L单片机为控制核心的电动车蓄电池在线监测管理系统，阐述了系统的硬件实现和软件设计。该系统实现了对蓄电池组中多节电池的同步监测,并可在线监测单节电池的电压、温度、电流、剩余电量及充放电过程，改善了蓄电池的维护效果。关键词蓄电池；DS2438；监测管理系统1引言随着汽车工业的迅速发展,在给我们生活带来便利的同时,也给人类的生存环境带来了严重的危害。电动汽车的无低污染优点,使其成为当代汽车发展的主要方向。城市环境污染的70来源于汽车尾气，汽车尾气污染已成为城市的一大隐形杀手。由于电动汽车的发展需要解决两大难题，一能量存储和动力驱动。由于短期内动力电池储能不足的问题难以解决，使能量管理技术成为电动汽车发展的关键。而解决问题的根本出路在于发展无污染的交通工具。以可充电电池组作为动力源的电动汽车，它能真正实现“零排放”，彻底解决能源与污染的问题，而且无论从技术上还是经济上都是可行的。为了满足电动汽车在各种运行情况下的使用要求，需要对电池的工况进行在线分析和测试。在传统充电技术中，常用的有恒压充电、恒压限流充电、恒流充电等，都是由人工控制其充电过程,大多存在着严重的过充电现象。充电质量的好坏，直接影响蓄电池的使用寿命。而新型蓄电池智能管理系统的设计，就是为了在线检测动力电池状态，提高充电质量和效率，使操作人员只担任辅助性工作。，通常采用电池供电。在使用电池供电的同时，还要对电池的当前状态是用户所关心的，如电动车。为此在设计本文所涉及的仪器时，智能电池监测系统被充分考虑。本文实现的电池监测系统由DS2438智能电池监测专用芯片、以及51单片机、液晶显示模块组成，其中核心功能是由DS2438智能电池监测芯片完成的。本文介绍了本系统的硬件实现和软件设计，以及DS2438芯片特性和相关控制软件等程序。231硬件设计本文设计的智能化管理系统是一种分布式、模块化的车载电池监控系统，它主要由主控模块、由DS2438智能电池监理芯片、51单片机、液晶显示模块构成，通过LIN总线实现相互通信。11系统硬件实现本系统的硬件设计力求简洁，目的是尽量减少对单片机指令周期的占用，以便使单片机能够完成更多其他功能。系统的硬件实现框图见图1。本系统由DS2438智能电池监测芯片、51单片机、可控电模块、LIN总线、主控及液晶显示模块、液晶显示模块组成。DS2438芯片完成对电池当前各种状态的监测，包括当前电池的充/放电状态、电压、电流、温度、剩余电量、消逝时间等参数的监测。DS2438芯片能够自动采集这些参数，并将其放在SRAM/EEPROM中。51单片机根据需要发出命令读取这些参数，然后处理这些参数，显示电池状态。由于存放这些参数的EEPROM具有非易失性，所以本系统具有掉电保护的功能。51单片机按照用户需要对电池状态的相应参数读取和处理，然后送往液晶显示模块显示。由图2可见，单片机是整个系统的控制、处理中心。由于大量工作由单片机的软件完成，明显地降低了系统硬件复杂度。液晶显示模块显示用户需要了解的电池当前状态信息，仅仅接受单片机的4控制和访问。由此可见，本系统的主要功能是由DS2438芯片和51单片机的软件程序完成的，其中51单片机、液晶显示模块的用法与其在其他系统中的用法相同，所以以下主要介绍DS2438芯片的功能特性和单片机软件编程。12主控及液晶显示模块主程序模块是整个系统的核心，其根据需要从各模块收集数据，判断分析数据，并把相关信息显示在液晶屏上。当处于充电状态时，根据电流采集子模块发送的信息，结合电池电压参数和温度测量值进行充电控制，依据电流测量模块计算的电量值，实现充电模式的判别和转变，当电充满时，单片机将对数据设立标志，使可控充电模块断开继电器，充电电路与电池组断开。本设计采用内置T6963C的MGLS240128T点阵液晶显示模块。显示及主控模块的电路如图3所示。其中，VCC为5V电源，D0D7与MC68HC912D60A的一个8位数据口相连，引脚5、6、8为控制口，用来控制液晶显示模块的读写操作，RST10脚为液晶显示模块硬件复位脚。VO口输入液晶显示驱动电压，滑动变阻器用来调节液晶显示亮度。5图3主控及液晶显示模块电路图13LIN总线什么是LINLINLOCALINTERCONNECTNETWORK是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制，LIN的目标是为现有汽车网络例如CAN总线提供辅助功能，因此LIN总线是一种辅助的总线网络。在不需要CAN总线的带宽和多功能的场合，比如智能传感器和制动装置之间的通讯使用LIN总线可大大节省成本。LIN技术规范中除定义了基本协议和物理层外还定义了开发工具和应用软件接口，LIN通讯是基于SCIUART数据格式采用单主控制器/多从设备的模式，仅使用一根12V信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线。这种低成本的串行通讯模式和相应的开发环境已经由LIN协会制定成标准，LIN的标准化将为汽车制造商以及供应商在研发应用操作系统降低成本。LIN的主要特性是什么低成本基于通用UART接口，几乎所有微控制器都具备LIN必需的硬件，极少6的信号线即可实现国际标准ISO9141规定传输速率最高可达20KBIT/S，单主控器/多从设备模式无需仲裁机制，从节点不需晶振或陶瓷震荡器就能实现自同步，节省了从设备的硬件成本，保证信号传输的延迟时间，不需要改变LIN从节点的硬件和软件就可以在网络上增加点,通常一个LIN网络上节点数目小于12个，共有64个标志符。LIN可用来实现什么样的应用典型的LIN总线应用是汽车中的联合装配单元如门、方向盘、座椅、空调、照明灯、湿度传感器、交流发电机等，对于这些成本比较敏感的单元，LIN可以使那些机械元件如智能传感器、制动器或光敏器件得到较广泛的使用，这些元件可以很容易的连接到汽车网络中，并得到十分方便的维护和服务，在LIN实现的系统中通常将模拟信号量用数字信号量所替换。这将使总线性能优化。尽管LIN最初的设计目的是用于汽车电子控制系统，但LIN也可广泛应用于工业自动化、传感器总线大众消费电子产品中。14LIN总线通信电路LIN总线的通信简单，方便，使智能电源管理系统与汽车的各系统之间既相互联系又相对独立，从而克服了目前电池管理的漏洞，能使汽车和汽车蓄电池的安全性和可控性得到大大的提高。图2为其具体电路，本设计中各个模块均包含该电路，以此实现信息共享和传输，本设计中实际通信波特率为1200BPS。该模块见图4是实际设计中的难点，它与外电网相连，对车载电池进行充电，并能根据控制电路发出的指令或标志位，实现对蓄电池分阶段、以不同电流进行充电，且有自动断电的功能，实现智能充电。根据实际需要的大功率、高电压的特点，其主电路采用全桥拓扑结构，输出回路采用全桥整流，同时，为改善功率开关器件的工作状态，主电路采用了软开关技术。7图4可控充电模块主电路82软件设计21DS2438芯片介绍DS2438芯片是DALLAS公司推出的新一代智能电池监测芯片，具有功能强大、体积小、硬件接线简单等优点。特性1仅有一根双向数据线，故单片机仅需一个端口与之连接。2内含数字温度传感器免去在电池块内设装热敏电阻。3片内模数转换器可进行电池电压监测，从而可判定充电和放电的结束。4片内的积分电流累加器可实时记录电池流入、流出电流的总量，便于统计电量。5内含二进制格式的消逝时间表。6内含40字节可用于存放电池特殊参数的掉电保护的用户访问存储器。22DS2438的应用DS2438可以应用于手机、便携式电脑以及各种手持设备的电池监测。电动汽车所用动力是由多节电池串、并联构成的电池组。每一节电池性能的好坏直接影响整个电池组的特性，因而在实际应用中，应对每节电池进行在线实时检测。那么每节电池都应配置一片DS2438，且它们的数据端可挂接到一条总线上。DS2438的供电电源可以来源于被测电池本身。而DS2438信号端DQ的电位是针对本片DS2438的地而言的，由于各片DS2438的参考地电位的不一致，势必造成对同一参考点各DS2438信号端DQ电位不同，因而无法挂接到同一条总线上，所以，在用于测量电池组时，需做适当的改进。本设计是以DS2438为核心构成一个监测模块，通过增加隔离措施，将数据线由单线制改为收、发两线制，并使所有模块的数据线分别挂接在REC、TRA两根线上，见图5。9图5在系统设计时应注意以下几个方面1、DS2438通讯协议改为信号取非，“0”、“1”互换。主机发信号时，主机接收线REC应为高；主机接收信号时，主机发信号线TRA必须保持为低。且收发不可同时进行。2、通讯时，主机向总线上所挂接的所有模块发出信号，每个模块都需要一定的驱动电流，所以主机发出的信号要经过放大。3、模块中DS2438的信号地GND1要比被测电池的地GND抬高。因为DQ有效低电平的最大值为05V，适当抬高DS2438的地，可以保证在各种运行条件下,特别是长距离传输的情况下数据传输的可靠性。DS2438的存储空间有8页，每页8个字节，共64个字节，每一页都有对应的高速暂存页，因此存储器包括RAM高速暂存器和SRAM/EEPROM掉电保护两部分，这两部分是镜像关系。高速暂存器可确保在用一线通讯时数据能够保持一致性数据写入DS2438时先写入高速暂存器，仅当数据被确认后，才能用暂存器复制命令将暂存页的数据写入相应的掉电保护空间中，单片机对DS2438进行数据读/写时只能对高速暂存器进行操作。存储空间内包括一些特殊功能寄存器和用户可使用的存储单元。下面仅对存储空间中与我们设计的实际系统有关的特殊寄存器做一下说明。1状态/标志寄存器状态/标志寄存器决定了DS2438的工作状态，单片机通过对特殊功能寄存器进行读/写操作，可实现DS2438的各种功能，因此在对其进行操作之前，必须对这一寄存器进行初始化，即对相应的控制位进行写操作。102电流寄存器DS2438内含一个可有效测量流入、流出电池块电流的模数转换器，电流的测量是通过测量外部传感电阻两端的电压来实现的。测量的结果存放于电流寄存器中。实际上电流寄存器存的是电压值，要得到流入、流出电池的电流可用公式1行计算。I电流寄存器的值/4096RSENS13电流积分累加寄存器DS2438对电池剩余电量的测量是借助其内部的电流积分累加器ICA实现的。ICA存放的是流入、流出电池总电流的净累加值，因此，存储在这个寄存器内的值可用于计算电池的剩余电量。4电压寄存器存放采集的电压值。5温度寄存器存放采集的电池温度值。6消逝时间记录寄存器消逝时间记录寄存器记录相对于内部基准时间的电池充电完毕、其脱离系统的精确时刻，便于用户了解电池的使用情况，正确地使用和维护电池。DS2438的操作命令有两类，一类是存储功能命令，有读/写暂存页、复制暂存页、读SRAM/EEPROM页、温度转换、电压转换等命令，此类命令的主要作用是进行数据采集和存储。另一类是ROM功能命令，包括对DS2438的RAM序列号进行读、比较、跳过、寻找等四种操作，用户可使用这类命令随意访问一条总线上连接的多个DS2438芯片。1123DS2438的功能特点美国DALLAS公司生产的电池监测芯片DS2438，其所具有的丰富功能，可以方便的实现对电动车电池组运行状态的监测。DS2438引脚图见图6。图6DS2438外形及引脚排列图DS2438可以提供以下参数信息1、电池温度值DS2438可以通过片内集成的温度传感器测量温度值，测量的温度范围为55125，分辨率为003125。电池的表面温升是电池充放电过程中的一个重要参数。2、电池电压DS2438片内集成有10位AD转换器，可以检测当前电池的电压值。测量范围是010V，分辨率为10MV。3、电池电流DS2438通过测量外接电阻上的电压来达到测量流经电池上的电流，将参考电阻RSENS上的电压值采样至电流寄存器中，电池电流等于电流寄存器中的值（4096RSENS）。而且专门设置了补偿寄存器以消除转换误差。4、剩余电量的跟踪DS2438能利用集成电流累加器（ICA）对电池的剩余电量进行跟踪。ICA中保存着流经电池的总电流，可以反应出电池的电量。DS2438是单总线工作方式，数据的输入输出是依靠一根数据线来完成的，而且每一片DS2438都拥有唯一的64位序列号。可以通过查询序列号的方式进行通讯，以便实现一条总线上连接多个DS2438。1224系统功能软件实现及流程图为了满足监测的实时性，本系统单片机采用定时中断的方式访问DS2438，进行电池参数采集。首先设置单片机的计数器为定时方式，开启计数器，定时长短可随需要灵活设定。然后单片机运行其它程序，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的控制操作程序，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。图8是系统总体流程图，图7是中断服务程序流程图。DS2438与单片机进行数据通讯时仅用一根数据线，因此必须严格按照芯片的读写时序要求来编写程序，这样才能保证数据的正确读写。这一过程虽然繁琐，但并不复杂，因篇幅有限，本文对此不予说明。下面介绍如何实现利用基于DS2438芯片的智能电池监测系统对仪器的供电方式直流或交流和电池的电压、电流、温度、剩余电量进行监测。1325供电方式的监测要确定仪器在使用中处于何种供电方式，可利用前面介绍的电流寄存器的值进行判定。首先单片机控制DS2438使其电流A/D转换器使能，DS2438便会以每秒3641次的速度对流入、流出电池块电流自动进行测量，测量的结果存放于电流寄存器中。电流寄存器的高字节的高六位是流入电池电流的符号位，为1时表示电池正在充电，也就是仪器正由交流电源供电；为0表示电池正在放电，即仪器正由直流电池供电。因此，单片机读出电流寄存器的值，对其高六位进行判断就可获悉供电方式，同时也获得了电流值。软件流程图见图8。1426电池电压、温度的测量由于DS2438内部有A/D转换器和数字温度传感器，要获得电池的电压、温度只需要由单片机对DS2438发出采集电压、温度的控制命令，然后等待其采集完毕并自动将电压、温度测量值存入相对应的寄存器后，再由单片机读取寄存器的内容即可。在读取寄存器值时，若单片机与DS2438之间的数据线为低电平，则表明DS2438正在进行电压、温度转换，此时不能读取数据，只有当数据线为高电平时，才能正确的读取数据。27剩余电量的监测电池的剩余电量是仪器在使用过程中用户所需要的重要信息，它可用电流积分累加ICA寄存器的值求得。ICA寄存器的值是由DS2438定时自动测量电池电流后更改的，无需对其进行控制，只需单片机读出ICA寄存器的值，然后将读出的值代入公式2，便可得到电池的剩余电量。剩余电量监测的流程图见图6。剩余电量ICA/2048RSENS2其中RSENS的单位为。说明1单片机对DS2438进行任意存储命令操作时，在发出每个命令之前都必须按照DS2438的复位时序要求，先发复位信号且等待DS2438的应答以示DS2438准备接受或发送数据，然后再发出一个ROM命令用以选择总线上要访问的DS2438，在本文的软件程序流程图中，此过程用“DS2438的初始化”来代替；2在对DS2438控制之前，必须先写状态/标志寄存器；3在读取寄存器的值时，为防止读取错误，先要检查DS2438是否正在修改寄存器的内容，这可通过对状态/标志寄存器中的NVB位进行判断实现。1528软件编程及测试本管理系统的核心软件是在ICCAVR编译环境下用C语言编程实现的。依据硬件设计中的模块化设计，每一个模块中均有一个DS2438芯片，所以，在编程时按照模块任务进行单独编程，子模块主程序基本包含模块初始化和数据处理，以及串口接收和发送中断程序，在串口中断程序中，主控模块发送数据请求，各子模块在中断程序中根据收到的相关数据串向主控模块发送相应的数据。此外，各子模块根据主控模块返回的数据，进行实际器件的操作，管理系统就这样通过LIN总线进行通信及操作。在通信的软件调试中，通过使用串口调试软件，并将总线数据通过串口连接到PC上，便于监测各个模块的数据，发现问题并进行调试。16结论本文从电池管理系统设计角度，确立了设计方案，介绍了电池管理系统DS2438芯片的智能电池监测系统是一种便携式仪器的一部分，通过实验证明本系统运行可靠、功能强大、操作方便、能够与其他功能协同工作。随着电动车广泛应用，蓄电池的使用量也随之加大。因此电池实时监测已成为一种必不可少的功能。因