（控制理论与控制工程专业论文）多通道锂电池检测系统的设计.pdf

摘要 摘要 近年来，随着中国改革开放的全面深入，电子通信产业也得到了长足的发展， 各种消费类电子产品销量也年年强劲增长，如数码相机、m p 3 、手机、笔记本电 脑、摄像机、人造卫星、航空航天等等；同时锂电池作为此类设备新一代的能源 提供者，其产业化的机遇已经来临。锂电池是电子产品的能源核心，没有好的电 池，电子产品的就无法很好的工作，从而失去了市场竞争力，而且此类电池的性 能质量越来越受到国内有关部门的重视。因此，对锂电池性能的检测也被电池应 用的各个环节重视起来。 本锂电池自动检测系统是根据市场需求，进行了可行性分析后立项开发的。 具有较高的实用价值。本系统采用两级控制方式，上层为p c 机，下层为本检测 设备。上位机监控软件采用v b 6 0 编写，具有工作流程编辑、数据存储、电池 巡检、分容、数据统计等功能，可满足锂电池检铡的需要，而且操作简单灵活、 易学易懂、易于功能扩展。下位机采用基于i n t e l 8 0 c t 9 6 k b 十六位单片机的控 制系统，对2 5 6 个通道的锂电池进行充放电检测，得到每个电池的充放电性能参 数，如电压一时阈、电流一时阃、电容一时阀、电量一时阊和循环寿命参数，并 根据这些参数对电池进行分容定级。本文主要介绍了锂电池自动检测系统的整个 研制过程，重点介绍了系统的工作原理及功能实现，主要讨论了c p u 控制、电 流采样、电压采样、恒漉恒压充电的实现、存储器扩展、d a 、通信接口及人枫 接口等功能模块。同时还介绍了系统软件设计中的存储器空间分配、软件工作流 程及软件定时器的实现。 通过实践检验和数据验证，本系统已达到了预期的设计要求和功能指标，而 且可靠性好、检测耪度高、功能强大。自系统研发成功以来，已在多家锂电池生 产厂家使用。用户反应很好，创造了可观的社会效益和经济效益，具有广阔的市 场推广前景。 关键词锂电池；检测系统：8 0 c 1 9 6 ：r s 4 8 5 兰塑堡三奎兰塑主主垒笙苎 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，e l e c t r o n i cc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r yg e tc o n s i d e r a b l e d e v e l o p m e n t ，a n dt h es a l e sv o l u m eo fv a r i o u sk i n d so fc o n s u m p t i o ne l e c t r o n i c p r o d u c t si n c r e a s e sp c e e r f u l l ye v e r yy e a r ，s u c ha sd i g i t a lc a m e r a 。m p 3 ，c e l 卜p h o n e n o t e b o o kc o m p u t e r ，c a m e r a 。e t c a tt h es a m et i m e ，t h ee n e r g y p r o v i d e ro f n e w g e n e r a t i o na st h i sk i n do fe q u i p m e n to fl i t h i u mb a t t e r y t h eo p p o r t u n i t yo fi t s i n d u s t r i a l i z a t i o nh a s a l r e a d yc o m e a st h ep o w e rc o r eo fe l e c t r o n i cp r o d u c t s ，t h e b a t t e r yi sa c t u a l l yt h eg u a r a n t e ef o rt h e i rg o o dp e r f o r m a n c e s a ne l e c t r o n i c p r o d u c tp o w e r e db yb a t t e r i e sw i t hp o o rq u a l i t yi si m p o s s i b l et ow i nc u s t o m e r a p p r e c i a t i o n s t h e r e f o r e ，p e o p l ew h or a l a t e de v e r yt a c h eo fb a t t e r ya p p l yh a v e g o tt ok n o wt h ei m p o r t a n c eo ft h ep e r f o r m a n c et e s to nl i t h i u mb a t t e r i e s ， t b ei d e ao fl i t h i u mb a t t e r yt e s t i n gs y s t e mw a sb a s e do nm a r k e tf e e d b a c k a n df e a s i b i l i t ya n a l y s i s 。s ot h es y s t e mh a sw e l la c t u a l l ya p p l i e dw e l l t w og r a d e s c o n t r o lm o d ew a sa p p l l e di nt h es y s t e mt o pl e v e li st h ep c 1 0 wl e v e li sm c u c o d i n g b yv b 6 ，t h es o f t w a r el e tt h es y s t e me a s i e rt oo p e r a t ea n dm o r ec o n v e n i e n tt o e x p e n dt h ef u n c t i o n t h es o f t w a r eh a sf u n c t i o n sl i k ew o r k i n gf l o we d i t i n g 。d a t a s a v i n g 。b a t t e r yt r a c k i n g ，g r a d e ss o r t i n g ，d a t aa c c e s s i n ga n ds oo n ，w h i c hs a t i s f y t h ed e m a n df o rl i t h i u mb a t t e r yt e s t i n g b e i n gt h e 淞ul e v e l t h e8 0 c 1 9 61 6 一b i t w c uc o n t r o ls y s t e me n s u r e st h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i ca n ds t a b i l i t yo ft h e s y s t e m b yt h em c u ，t h es y s t e ml e tt h el i t h i u mb a t t e r yc h a r g eo rd i s c h a r g e ，o b s t a i n t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ，v t ，i t ，c t ，e tc h a r ta n dt h ec y c l el i f ed a t ao ft h e b a t t e r yd u r i n gt h ep r o c e d u r e ，s e p a r a t et h eb a t t e r yi n t od i f f e r e n tg r o u p s a c c o r d i n gt ot h e s ed a t a t h et h e s i sd e t a il st h ec r e a t ep r o c e d u r eo fl i t h i u m b a t t e r yt e s t i n gs y s t e m ，w h i c he m p h a s i so nt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n da c h i e v i n g m e t h o do ft h es y s t e m s i m u l t a n e o u s i y ，s o f t w a r ed e s i g nm e t h o dw a si n t r o d u c e di n t h i st h e s i s t h o u g hv a l i d a t i o n ，t h es y s t e mh a ss u c c e e d e dt oo b t a i nt h ei n s t r u c t o ra n dt h e f u n c t i o nt a r g e t i th a st h ea d v a n t a g e so f9 0 0 dv e r a c i t y ，h i g hr e l i a b i l i t y ，g r a t e f u n c t i o n s ，e t c s i n c et h ep r o j e c ti sf i n i s h e d ，t h ep r o d u c t sh a v eb e e nu s e db ym a n y l i t h i u mb a t t e r ym a n u f a c t u r e sa n dt h ef e e d b a c ki sw e l l t h es y s t e mh a sd r a w na l o to fe c o n o m i ca n ds o c i e t yv a l u ea n di th a sg o o ds p r e a d i n gf u t u r e k e yw o r d s ：l i t h i u 孤b a t t e r y ：t e s t i n gs y s t e m ；8 0 c 1 9 6 ：r s 4 8 5 i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：素受莞鹫 日期：2 r 年占月r 2 _ e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校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。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密阿。 ( 请在以上相应方框内打“”) e t 期：n 厂年月f 乞日 e t 期：力n r 年1 7 月i 、日 、翳 名名签签 者师作导 第一章绪论 1 1 锂电池简要介绍 第一章绪论 1 1 1 锂电池的发展情况 2 0 0 4 年，中国经济依然保持强劲的增长势头。在宏观经济持续向好的形势 下，电池行业的生产和销售都保持了较快的增长。髓着世界经济的回暖，我国电 池产品的进出口也有所增长，但是国际电漶市场酌竞争也在不甑规剧。 我国电池行业的投资呈现出加速发展趋势。2 0 0 3 年，世界电池巨头在中国 展开一系列并购行动，如美国吉列公司收购香港中国电池公司的全部股份，美国 雷诺威公司收购宁波豹王电池有限公司8 5 的股权。内资企业也加快了投资步 伐，如天津力神电池和青岛华光电池分别投资4 亿元建设充电电池生产线 等。2 0 0 3 年我国电池行业2 5 家重点企业年产电池6 0 4 ，6 3 4 万只。2 0 0 3 年世界 二次电池产量为3 3 2 5 亿只，比2 0 0 2 年的3 1 1 2 亿只增加了6 8 。2 0 0 3 年我国 充电电池产量约占世界的4 0 ，已经成为名符其实的电池生产大国。 锂离子电池从1 9 9 2 年由索尼公司商业化开始，世界的键离子电池产业基本 由日本人独霸天下，在2 0 0 0 年以前，日本的电池产量占到世界的9 5 以上。近 年来，随着中国诸如以比亚迫、t c l 金能电池为代表的企业和韩国企业纳迅速崛 起，日本一支独秀的格局已经基本拨打破，日本键离子电池的市场分享也下跌到 现在的6 0 不到。世界锂离子电池产业中日韩三分天下的格局已经形成。 相比韩国和日本，中国的优势可以归纳为四个方面：酋先，制造成本低。中 国有价格低廉和丰富的劳动力资源，可以使用人力为主的半自动化生产线，从而 采取低成本的竞争策略。可以说除了规模的扩张外，世界锂离子电池市场近年来 价格的快速下降，基本来自于中国企业的拉动。其次，中国有世界最大的消费市 场。第三，中国已经形成锂离子电池相对完整的产业链，在锂离子电池材料的配 套方面占有一定的优势。第四，我国有丰富的锂矿资源，是发展锂电池的最大优 势。劣势方面，中国企业明显不足的是在核心技术开发方面，要想不受制于人和 遭受侵权指控，技术上的创新仍是中国企业需要不断努力的。 我国一直是世界上的电池制造大国，目前的电泡产量和出口量都位居世界第 一。但我国锂离子电池产业也是近几年才快速成长起来。我国锂离子电池产业化 始于1 9 9 7 年后期，走过了一条从引进学习到自主磅发的产业化道路。在2 0 0 0 年以前锂离子电池产业化基本是边引进边摸索的阶段。进入2 0 0 1 年以后，随 着深圳比亚迪、邦凯科技等锂离子电池企业的迅速崛起，中国的锂离子电池产业 华南理工大学硕士学位论文 开始进入快速成长的阶段，产量年均增长超过1 4 0 。未来几年，随着比皿迪、 比克、邦凯、力神、环字、光字生产规模的扩充，中国的锂离子电池产业仍将保 持年均3 0 以上的增长速度。调查表明， 速成长，市场规模达到3 2 0 0 万片月， 1 1 2 锂电池原理 2 0 0 0 2 0 0 3 年，中国锂离子电池产业迅 占世界市场的2 9 。 锂离子电池，俗称“锂电”，是目前综合性能最好的电池体系。锂离子电池 负极是碳素材料，如石墨。正极是含锂的过渡金属氧化物，如l i m n 。0 。，电解质 是含铿盐的有机溶液，通常键离子电池并不含金属锂。充电时，在电场的驱动下 锂离子从正极晶格中脱出，经过电解质，嵌入到负极晶格中。放电时，过程正好 相反，锂离子返回正极，电子财通过了用电器，出外电路到达正极与镪离子复合。 由于锂离子电池不含任何贵重金属，原材料都很便宜，降价空间很大，应该是最 便宜的电池。目前媒体经常报道聚合物镘电池或屡态锂电池，实际上它的主要部 件：正极、负极和电解质以及工作原理都和使用液体电解质的锂离子电池一样， 只是隔膜和包装材料不同，医此，仍属于锂离子电池。与传统的二次电池相比， 锂离子电池有突出的优点：工作电压高，锂离子电池的工作电压在3 6 v ，是镣 镉和镍氢电池工作电压的三倍。在许多小型电子产品上，一节电浊即可满足使用 要求。这也是与其它二次电池的重大区别，因此只能用锋离子电池专用充电器来 充电，以免发生事故；比能量高，锂离子电池比能量弱蔚已达1 4 0 w h k g 。是镶 镉电池的3 倍，镍氯电池的1 5 倍；循环寿命长，目前锂离子电浊循环寿命已 达1 0 0 0 次以上。在低放电深度下可达几万次，超过了其他几种二次电池；自放 电小，锂离子电池月自放电率仅为6 8 ，远低于镰镉电池( 2 5 3 0 ) 及镍 氢电池( 3 0 4 0 ) ：无记忆效应，可以根据要求能够随时充电，丽不会降低电 池性能；对环境无污染，锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电 池”。由于锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压 电池和自放电率低等优点。可以说，锂彀池将成为新型电池的后起之秀。 1 1 ，3 可充电电池基本知识 与干电池的异弼点： 干电池只铯放电一次，充电电池可反复充放电循环使用。充电电浓在充放电 时电极体积和结构之间发生可逆变化，因此设计时必须调节这些变化，而于电池 内部受哆简单得多，因为它不需要调节这些可逆性变化，干电池韵质量比容量和体 积比容量均大于充电电池，但内阻远比充电电池大，因此负载能力较低。另外， 干电池的自放电远小于充电电池。 额定容量： 2 第一章绪论 指在一定放电条件下，电池放电至截止电压时放出的电量。i e c 标准规定对 于锂离子电池。规定在常温、恒流( 1 a ) 恒压( 4 2 v ) 控制的充电条件下，充电3h 再以0 2 c 放电至2 7 5 v 时，所放出的电量为其额定容量电池容量，电池容量的单 位有a h ，m a h ( 1 a h = 1 0 0 0 m a h ) 充电效率； 指电池在一定放电条件下放至某一截止电压时放出的容量与输入的电池容 量的比值它可按照以下公式计算： 充电效率= ( 放电电流放电至截止电压的时间充电电流充电时间) 1 0 0 ： 输入的能量部分用来将活性物质转换为充电态，部分消耗在副反应上来产生 氧气，充电效率受到充电速率耜环境温度的影晌，充电时充电电流必须在一定范 围内，电流太小或太大充电效率都很低，由于电池还存在自放电，致使电池无法 充满电。 电池自放电： 每个电池都会产生自放电，所谓自放电是指在电池没有负载，没有使用的情 况下电池会自己释放一部分能量。 电池记忆效应： 电池在使用过程中，由于电池本身的物理特性。不规范的充放电和缺少必要 的维护，可以造成电池的容量损失，俗称电池的记忆效应，聂简单的例予就是新 的电池在使用一段时闻后电容量会减少。但在锤电池中几乎不会产生这种反应。 电池内阻： 每个电池都有内阻，电池内阻的大小直接影响到电池的性能，内阻大的电池 在放电时无法提供设备所需要的能量，这往往会影响无线或便携式设备的正常使 用。导致故障，死机等严重问题。 1 。2 锂电池检测领域介绍 1 2 1 锂电池检测标准 根据g b t 1 8 2 8 7 2 0 0 0 国家标准，锂离子电池的检测项目包括外观、放电性 能、高低温性能、荷电保持能力、循环寿命；耐热、耐振动、耐碰撞、耐自由跌 落的环境适用性，过充电保护、过放电保护、短路保护的安全性能，耐重物冲击、 热冲击、过充电、短路的安全性熊，储存性能等。 本检测设备主要用来检测电池的循环寿命，放电性能。 1 2 2 国内外检测行业的发展 锂电池产业的蓬勃发展大大刺激了锂电池的开发、研究以及生产。工欲善其 3 华鸯理工大学硕士学位论文 事，必先利其器。为了保证产品的质量，生产厂家必须在电池生产出来后对它进 行化成及容量分选，即要购买大批量的电池检测设备。 目前国内生产锂电池检溅设备的厂家有很多，主要有广州擎天公司、哈尔滨 予本自动化有限公司、武汉力兴公司、广州宏圆科技开发有限公司、广州市晨威 公司等。其中哈尔滨子木自动化有限公司秘广州擎天公司生产的锂电池检测装置 在国内占有较大的市场份额。国外的生产厂家有美国的a b i n 公司、德国的迪卡 龙公司。他们生产的设备自动化程度高，检测也较准确可靠，但由于价格较昂贵， 是国内同类设备的1 0 1 5 倍，国内厂家及检测部门难以接受。 1 。3 课题来源及设计特点 本课题来源于作者在广州晨威电子科技有限公司研究开发项目，项目名称为 多通道锂电池检测系统的设计。该公司是以生产二次电池检测设备为主的民营高 新技术企业，公司成立以来，一直致力于二次电池检测及实验设备的研究、研发 和生产。 随着锾电池的需求量越来越大，锂电拖检灏装置的需求也迅速扩大。对锂电 池检测装置的需求大幅增加的同时，而且对设备的检测功能及稳定性提出了更高 的要求。本检测系统专门用于锤离子电池容量分选，共分为2 5 6 个通道，每通道 可检测1 个电池，每个电池通道拥有独立充放恒流滚，模块化制造，通用性强 维护容易。发热部件与菲发热部件分开安装，散热效果理想，系统工作稳定可靠。 充、放电电漉、恒压电压由荜片枫自动设重，不器要手动调节，使用方便，测试 更准确。上位机软件功能丰富，保存每个电池的所有工步曲线( 包括电压一时间、 电流一时问、容量一时阊等艘线、电量一时间) ，曲线点保存条件包括电压差 ( l m v ) 、电流差( l m a ) 、时阎差( 2 m i n ) 等，用户可自由选择曲线采样条件。 具有数据掉电保护功能，来电能继续沿断点运行。整柜巡检一遍时闯2 0 秒， 极限情况下的巡检时间6 0 秒。 本设备的主要服务对象为锂电池生产厂家及应用厂商。 1 4 本章小结 锂电池生产厂家和应用厂商是本系统应用的最终客户。锂电池以其特有的性 能优势已在便携式电器如手提电齄、摄像飒、m p 3 、移动通信中得到普遍应用。 前几年开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始适用，预计将成为2 1 世纪 电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方便得到应用。 随着锂离子电池的广泛应用，作为与之配套的检测设备也必将有广阔的市场。 4 第二二章系统方案介绍 第二章系统方案介绍 2 1 总体设计指导思想 本电池检测系统是一个主从式两级控制系统。p c 机为上位机，本检测装置 为下位机一台上位机最多可以控制1 5 台下位机，上下位机采用r s 4 8 5 电缆连 接，如图2 1 所示。 第一柜第二柜第三框第n l 枢第n 枢 图2 一l 系统结构 f i 9 2 一ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m 上位机为选用一般p c 帆，运行臀i n d o 臀s 9 8 2 0 0 0 x p 系统，上位机监控软件 采用m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 语言绽写，主要功能是实现启动下位机的 电池巡检监控、数据采集、存盘、容量分选。除计算电池容量，对电池进行容量 分选外，还可对数据文件进行处理，输出电池合格率的统计报表和容量分布直方 图，提供电池电压、电瀛、容量曲线。 下位机是以1 6 位单片枫8 9 c 1 9 6 为核心的单片枫控制系统，既可与上位机联 机，充分发挥接个系统功能，也可以脱离上位机独立工作完成恒流恒压充电、 恒流放电和容量分选等工作。下位机根据上位机发送的设定值控制电池的充放电 动作状态和工作电流、电压，启动电池进行充放电测试，巡检电池电流、电压等 参数，保存检灏数据，当电池满足流程终止条件时控制当前工步结束，等所有工 位的当前流程结柬后，自动切换到下一个流程继续工作。下位机中采用了看门狗 电路和掉电保护大容量数据r a m ，使设备能离线存储测试产生的大量数据。并具 有掉电数据保护功能和来电恢复断点运行功能。 5 华南理工大学硕士学位论文 2 2 设计指标 电流恒流范固：0 0 2 2 a恒流精度：( 0 2 f s + 0 i r d ) 电压测量范日：0 1 、5 v检溅精度：( 0 2 f s + 0 i r d ) 恒压电压设定范日：4 o 4 5 v 精度：4 - ( 0 2 f s + 0 1 r d ) 时间范围：o 9 9 9 m i n i 步精度：4 - 0 1 时间分辨率：1 s 整柜巡检一遍时阊2 0 秒，极限情况下的巡检时间6 0 秒 工作电源：a c 2 2 0 v 1 0 ，5 0 h z 通信接口：r s - 4 8 5 ，波特率：5 6 k b i t 2 3 模块功雒划分 整个检灏装置按照锂电池性能要求特掰设计。每个电池通道拥有独立充放恒 流源，模块化耕造，通用性强，维护容易。发热部件与非发热部件分开安装，散 热效果理想，系统工作稳定可靠。每柜3 2 缀，每组8 支电池，双面四门结构， 每面八组，整柜可测2 5 6 支单体电池。上位机软件功能强大，人机界面友好，操 作简单。溅控过程可设置6 4 个工步参数，2 5 6 个循环，循环个数不限，每个通 道保存全部检测过程的数据及曲线。下位机可脱机工作，脱机时阔可长达2 小时。 一台上位p c 机可最多监控1 5 台设备柜。 下位机采用一台单片机进行控制，对2 5 6 通道进行电流调节和控制以及电 压、电流数据采样。并其有数据掉电保护功能，来电能继续运行。采用l e d 指 示灯指示电池工作状态。上位枫与下位机采样r s - 4 8 5 通信方式，波特率5 6 k 。 在硬件设计时，按照逻辑功能将下位机分成了人枫接口、c p u 控恻电流板、 i o 扩展电路、寄存采样电路、功率模块等五大模块。 各逻辑模块主要完成以下功能： 人机接口：从键盘板可以输入充放电参数，控制设备脱机( 不联上位机) 运行，键盘板上的液晶扳可以显示工作时间、电池电压和电池编号等信息。还 可以从键盘扳输入调试命令，方便设备的调试和维护。 c p u 控射电路板：c p u 控制电路板是下位机的主控部件，控制整台设备 的运行。接收从上位机或键盘板送来的设定参数，根据设定控制电池充放电。 发出充放电信号，控制恒流源动作。发出寄存控制信号，控制电池寄存。 发出采样控制信号，控镪电压、电流采样，将寄存采样板采回来的电压电流 模拟信号转换为数字量。 i o 扩展电路：对c p u 板送来的各种控制信号进行译码扩展，经光电隔 离后，把控审信号分剐送到寄存采样板。 6 第二章系统方案介绍 寄存采样电路：采集电池电压电流，将采样值送往c p u 板进行a d 转换； c p u 板依次监视电池工作状态，控制电池寄存、报警各种异常状态。 功率模块：控制电池的充放电状态。 在机械结构上，整个设备柜体分为前后两层，前后对称，整个设备共测量 2 5 6 点。夹具与柜体背对背相接。 2 4 系统主要特点 专门为锂离子电池容量分选要求丽设计剑造； 采用反馈原理，使恒流到恒征切换无冲击，特别适用于锂离子电池充电 要求： 每只电池完全拥有独立的恒流一稳压反馈通道，自成回路互不影响； 微电子模块化制造通用性强，维修容易： 充、放电电流、恒压电压，单片机自动设置，不需要手动调节，使用方 便。测试更准确； 每柜有3 2 组，每组8 只电池：每柜可测2 5 6 只单体电池； 具有数据掉电保护功能，来电能继续运行； 整柜巡捡一遮时间2 0 秒( 无电池寄存时) ，极限情况下( 每只电池 都寄存) 的巡检时间6 0 秒； 通信采用r s - 4 8 5 接口，数据传输速度快： 下位机可脱机工作，最长脱机时间可达2 小时l 上位桃软件功能丰富，保存每个电池的所有工步曲线( 包括电压一时 问、电流一时问、容量一时阋、电量一时闯等曲线) 。荫线点保存条件包括电 压差( l m v ) 、电流差( i m a ) 、时间差( 2 m i n ) 等，用户可自由选择曲线采 样条件； 上位机软件界面友好，操作简单，能存储每工位的容量信息保存在文件 中； 下位机采用液晶显示，直观简单、易学易懂； 2 。5 本章小结 本章介绍了整个系统的设计方案以及设计指标，并详细描述了系统的功能划 分和主要特点。在对设计指标及设计要求充分理解的基础上，即明白了要“做什 么的问题“，然后对整个系统进行整体设计，形成一个雏形，为系统进一步的软 硬件设计打下基础。 7 华南理工大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章硬件电路设计 整个电池检测设备将采用模块化设计，最大限度降低各板之闻的耦合度，便 于今后扩展升级。按模块化设计原则，将整个生产柜硬件部分分成五大部分：c p u 控制部分，人机接口部分，i o 扩展部分，充放电控制部分及功率管部分。在结 构安排上，一台检测设备有一块c p u 控制扳，一块人机接口板，一块i o 扩展扳， 3 2 块( 共2 5 6 点每板8 点) 充放电控制板及功率板。2 5 6 个通道采用如下扩展： 先分成因组( z 1 - z 2 - z 3 一z 4 ) ，框体每扇门一组每组6 4 个通道；然后每扇门有 8 个分组( y 卜y 2 - y 3 - y 4 一y 5 - y 6 一y 7 - y 8 ) ，每个分组8 个通道：每块线路板含有8 个通道，由个号a ，b ，c 进行译码后识别，如图3 1 所示。 3 2o p u 控制电路 图3 1 设备结构框图 f i 9 3 1b l o c kd i a g r a mo ft h ed e v i c e c p u 是整个检测设备的核心，负责通信，键盘显示控制，2 5 6 个通道电池的 充放电、寄存以及数据采集，并把采集的数据送往上位机进行进一步的处理。 继m c s 5 1 ，8 0 9 6 b h 之后，i n t e l 公司又推出了一系列高性能的c h m o s l 6 位单 3 第三章硬件电路设计 片机- - 8 0 c 1 9 6 x x 。c h m o s 芯片耗电少，除正常工作外还可工作于两种节电方式： 待机方式和掉电方式，进一步减少芯片的功耗。m c s 一9 6 家族中的全部成员都共 享一套指令系统，有一个共同的c p u 组织结构。m c s 9 6 系列单片机由于价格低、 处理能力强，在信号分析、数据采集等很多领域得到了广泛应用。本系统中c p u 采用i n t e l 公司的i n t e lm c s 9 6 系列中的8 0 c 1 9 6 k b 处理器。 3 2 1 时钟电路 8 0 c 1 9 6 k b 需要一个时钟源进行操作，时钟频率在6 1 2 m h z 之间。这个时钟 信号可由外部时钟直接提供，也可由外接晶体和内部电路构成的晶体振荡器产 生。 本系统时钟信号采用后一种方式产生，8 0 c 1 9 6 的片内振荡器电路包括一个 晶体控制的正电抗振荡器。x t a l l 脚是内部反相放大器的输入端，而x t a l 2 脚是 该放大器的输出端，如图3 2 所示。 ) c 】瑚上5 6 上兰 9 0 c 1 9 日田 ) c i 札l田r 号_ - 2 图3 2 时钟电路 f i 9 3 2c i r c u i to fc l o c k 3 2 2 高速输出器h s o 高速输出器h s o 用于按程序设定的时阏去触发某一事件，由于要求c p u 的开 销极少。故速度很高。被触发的事件包括：启动a o 转换，复位定时器2 ，设置 4 个软件定时器标志和接通多达6 搬输出线( h s o o h s 0 5 ) 。同一时刻可以挂 号8 个事件，当事件被触发时，还会发生中断请求。 c a m ( c o n t e n ta d d r e s s a b l em e m o r y ) 也称相关联存储器，它不是根据地址 而是根据所存信息的全部特征或部分特征进行存取的存储器。在h s o 中，这个特 征就是被设置的，用于触发事件的时阈。c a m 阵列是h s o 的核心控制部分，由8 个2 3 位的寄存器组成。每个寄存器的1 6 位用于存放触发某一事件的时间，7 位 用于存放命令。每一个状态周期，来自定时器的时间与c a m 中一个预定的时间进 行比较。比较结果相符，说明触发某一事件的时间已到就读出c a m 中这一项内 9 华南理工大学硕士学位论文 容，产生该事件的触发信号。 h s o 的命令格式见图3 3 。其中低4 位产生的1 6 种代码规定1 6 个通道被触 发的性质。位4 决定是否会产生中断。位5 决定输出的事件触发信号的性质，但 它对通道0 8 一o f h 不起作用。位6 决定采用那个定时器作为时间基准。 图3 3h s o 命令格式 f i 9 3 3c o m m a n df o r m a to fh s o 本系统中h s o 主要作如下用途：h s 0 0 为a d ct l c 2 5 4 3 提供时钟信号，h s o i 为w a t c h d o gx 2 5 0 4 3 提供片选信号，h s 0 2 控制s n l 8 4 的接收发送转换，h s 0 3 控制报警器，如图3 4 所示。 h s o (一q j 蔼) 一t c l 2 5 4 3 黼j i m l s 0 】一- w a t c h d o gx 2 5 0 4 3 的片选 联的：叫堂塑l s n l 8 稍接恻发送转授 1 h s o ： 一一驱动电路卜一。1 。f 一 n 、叫 v c c 图3 4h s o 线分配情况 f i 9 3 4d i s t r i b u t i o no fh s o 3 。2 。3 高速输入器h s i 高速输入器h s i 用于记录某一外部事件发生的时间，时间基准由定时器l 提供。共可记录8 个事件。有4 根引脚( h s i o - - h s i 3 可作高速输入脚。其中 h s i 2 和h s i 3 是双向引脚，也可作高速输出弓 脚h s o 4 和h s o 5 ，它们的功能 靠i o 控制器i o c o 和i o c l 来选择。 l o 第三章硬件电路设计 h s i 共有4 条外部输入引脚h s i 0 和h s i 3 。图3 5 表示h s i 事件形式寄存 器的各位定义。h s i 能检测到的、每个引脚上产生的外部事件的形式可以靠事件 形式寄存器来选择，共有4 种可能的形式。每个输入引脚的形式由寄存器中的两 位确定，故有4 种形式可供选择。 r t 丁1 一1 广 7 6 【5 | 4 32 1 0 、，j。j。，l一ij，。【一 h s i 3 形式h s i 2 形式h s i 1 形式h s i o 形式 2 位形式控制段定义4 种形式之一 0 08 次正跣变 0 1 每次正跳变 1 0 每次负跣变 1 1 每次跳交 圈3 5h s i 事件形式寄存器 f i 9 3 5h s i m o d e h s i 中包含一个7 2 0 ( 级数宽数) 的先进先出队列寄存器f i f o ，用于储 存某一事件发生时的信息。2 0 位宽度中的1 6 位用于储存事件发生的时间，即定 时器1 的值；4 位用于储存用于知识该时刻4 根h s i 输入引脚是否有事件产生。 可以把h s i 保存寄存器当作f i f o 队列的一部分，这样，实际上h s i 共可记录8 个事件。若已记满8 个事件，在c p u 读走信息之前，避一步发生的事件就不再记 录。 由于本电池检测系统设计成一台p c 枫可连接多台下位机，故需要编号区分 各下位机。这里我们采用h s i 接拨码开关豹方式，如图3 6 所示。由软件读取 拨码开关的信息区分各下位机，实现一台p c 机可接多台下位机，节约用户投资 图3 6 拨码开关 f i 9 3 6s w i t c h 华南理工大学硕士学位论文 3 2 4 看门狲及复位电路 每次上电时，8 0 c 1 9 6 都应复位。为了复位，在v e c 、振荡器和反偏置发生器 都已达到稳定状态之后，至少使r e s e t 引脚保持2 个状态局期的低电平。当r e s e t 再次变高时，8 0 c 1 9 6 k b 就开始执行为时1 0 状态周期的复位序列。这个复位序列 使一些寄存器初始化，清除p s w 。并把p c 寄存器的值设为2 0 8 0 h ，以准备从2 0 8 0 h 单元开始执行指令。复位序列还把2 0 1 8 h 单元( 芯片配置字c c b ) 的内容装载到 芯片配置寄存器c c r 中。 复位电路可以有多种形式。只要在v c e 、振荡器和反偏发生器稳定以后能提 供至少2 个状态周期的低电平信号即可。因此8 0 c 1 9 6 k b 有3 种复位方式：( 1 ) 上电复位和手动复位；( 2 ) 监视定时器溢出复位：( 3 ) 复位指令复位。 本系统中采用的复位方式有手动复位和上电复位、指令复位和看门狗控制复 位。其中r e s e t ( 8 2 5 5 ，1 ) i s p ) 接芯片8 2 5 5 、液晶显示模块的复位引脚，保证整个 系统的复位同步。面面于为手动复位信号，由键盘面板的复位按钮产生。 h s o l p c l p c o p c 4 v c d | 】| 慧 隐嘉删，冽 。- t - c 2 _ l l 弘 r e 哪 鼢c l9 1 6 k b 图3 7 复位电路 f i 9 3 7c i r c u i to fr e s e t 在上电的情况下，由于电容c 2 的作用，使8 0 c 1 9 6 k b 的r e s e t 引脚处于短暂 的低电平，从而使8 0 c 1 9 6 k b 复位；同时三极管v t 3 处于截至状态， r e s e t ( 8 2 5 5 。d i s p ) 处于高电平，芯片8 2 5 5 和液晶模块复位。经过一段时间后， 电容c 2 充电饱和，8 0 c 1 9 6 k b 的r e s e t 引脚变成商电平，8 0 c 1 9 6 k b 进入工作状态； 同时三极管v t 3 处于导通状态，r e s e t ( 8 2 5 5 ，d i s p ) 变成低电平，芯片8 2 5 5 和液 晶模块也开始正常工作。 1 2 ， 墨一b鄯桨 第三章硬件电路设计 指令复位主要是接收上位机的复位命令，使系统复位。 电池在进行各种检测试验中，检测时间长，可能要连续检测几个月，电池在 过充或过放的时候可能会出现爆炸，这就对检测系统的稳定性和抗干扰性提出了 较高的要求。如果单片机系统死机则可能导致检测数据丢失，电池充放电失控， 而出现了电池过充或过放甚至出现爆炸。系统设计时采用了看门狗电路能很好防 止上述现象的发生，看门狗芯片采用美国x i c o r 公司的x 2 5 0 4 3 。该电路具有c p u 工作电压监控功能，当工作电压低于4 7 5 v 时则系统自动复位，另外，系统总线 在设定时间内访问该电路，否则系统将自动复位。这样当系统工作电源异常时， 系统自动复位，当程序运行在外界干扰“跑飞”时，系统也将复位，这样就保证 了检测工作的安全性。 引脚分布图及说明： 引脚名引脚编号说明引脚名引脚编号说明 c s l 片选输入w p 3 写保护输入 s o2串行输出 r e s e t 7 复位输出 s i 5 串行输入 v s s4 地 s c k6 串行时钟输入 v c c8 电源电压 x 2 5 0 4 3 可直接与许多通用的微控制器钓同步审行外设接口( s p i ) 连接。输 入的数据在c s 交为低电平之后的s c k 第一个上升沿被采样，随s c k 时钟同步输 入。s c k 是静态的，允许用户暂停时钟并在以后恢复操作。在整个工作期间，c s 必须是低电平虽孵输入盛须是高电平。x 2 5 0 4 3 4 5 监视岱线。如果在预设的看 门狗超时周期时闯内，c s 没有产生下豌沿，将输出复位信号。 x 2 5 0 4 3 内部有一个8 位指令寄存器。它可通过s l 输入被访闳。下表为 x 2 5 0 4 3 的指令集。 指令名指令代码操作 w r e n0 0 0 0 0 1 1 0 设置写使能锁存器 w r d i0 0 0 0o l o o 复位写使能锁存器 r d s r0 0 0 0 0 1 0 l 读状态寄存器 w r s r0 0 0 00 0 0 l写状态寄存器 r e a o0 0 0 0a ，o l l从存储器阵列中读数据 w r i t e0 0 0 0a ，0 1 0 向存储器阵列中写数据 1 3 华南理工大学硕士学位论文 3 3 存储器扩展 3 3 i 外部存储器操作时序 8 0 c 1 9 6 单片机的外部存储器时序匦见图3 8 。当c p u 开始向外部存储器取 指时，地垃锁存允许信号a l e 升高，a d o a b l 5 上的地址被设置狲所要求的状态。 为保证c p u 可靠地读得来自外部存储器得数据，在距面上升沿之前段时间( 这 段时间定义为最小建立时阊，可由芯片技术手册中查得) 之前，数据就应稳定的 出现在总线上供c p u 读取。在蔽的下降沿，c p u 从总线上移走了地址，而代之 以数据；丽线变高时，数据应锁存到外部存储器内。 图3 8 外部存储器时序图 f i 9 3 8i n t e r f a c et i m i n go fo u t s i d em e m o r y 3 3 2p 3 口、p 4 口与系统总线 p 3 和p 4 口有2 个功能，或作漏极开路的双向口，或作系统总线，p 3 对应于 系统总线的低8 位a d o a b 7 ，p 4 对应于系统总线的高8 位a d 8 - - a d l 5 。当引脚e a 接低电平时，这些引脚总是作系统总线用。a 接高电平时，只有访问外部存储 器时，才作总线用。当这些弓l 脚兼作口线和总线时，在总线操作前必须对它们写 l 。p 3 和p 4 作输出口时，应外接上拉电阻。这些口线吸收电流鲍功能约为0 4 m a ， 因而对口的总上拉电流不应超过此值。若没有其他电路产生上拉作用，则接一个 1 5 k q 上拉电阻是合适的，这时产生不到0 3 3 m 的上拉电流。 本系统中e a 一直接低电平。所以p 3 和p 4 口总是作系统总线用，而且访问 存储器2 0 0 0 b - - 5 f f f h 单元时，访问的是片外存储器。 3 。3 3 程序存储器 由于8 0 c 1 9 6 k b 片内e p r o m 有限。对于本系统程序量来说远远不够，故本系 统采用外按程序存储器。将程序代码烧写在程序存储器中，不仅便于将来软件升 级，而且有利于对代码加密，防止被窃取，如图3 - 9 所示。 1 4 第三章硬件电路设计 图3 - - 9 程謦存储器电路 f i 9 3 9c i r c u