采用MSP430单片机完成电池电量测量系统.doc

1 绪论1.1 引言 锂离子电池是20世纪70年代以后发展起来的一种新型储能电池。由于其具有高能量、寿命长、低能耗、无公害、无记忆效应以及自放电小、内阻小、性价比高、污染少等优点，锂离子电池在逐步应用中显示出巨大的优势，广泛应用于移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机、电动汽车、储能、航天等领域1。目前使用的各类电池中，锂离子电池(也称锂离子二次电池或锂离子蓄电池)是近十几年才发展起来的一种新型电源。自20世纪90年代初日本索尼能源开发公司和加拿大莫里能源公司研制锂离子电池获得成功以来，一直是世界各国竞相研究开发和应用的热点2。在第215届电化学会议中，新型电极材料仍是锂离子电池的研究热点之一，与传统正极材料LiMn204、LiCoO2、LiMnPO4相比，LiFePO4正极材料所特有的安全性能引起了人们的重视。其中粘结剂作为非导电的活性材料在锂离子电池中的重要性开始逐渐被认识和接受。美国劳伦斯伯克利国家实验室研究了电极循环性能与电极片机械能的关系，发现电极的机械能与长期循环性能的关系密切，电极的损坏，特别是碳负极的损坏主要源于极片力学性能的下降，指出电极材料并不是决定电极性能的唯一因素，粘结剂的性能和极片的制备方法、工艺也是必须考虑的3。近年来，许多研究者不再局限于对某一材料的制备与优化，开始着眼于整个系统的匹配，优化电极片和制备方法，瞄准动力汽车的需求设计高能量电池和高功率电池，分析电池衰退的原因，开发满足动力电池需要的3000至5000次循环寿命的长寿命锂离子电池4。涉及锂离子电池的研究内容和手段不断的丰富，对于锂离子电池制备工艺的提高也有很大的促进与提高。以上所述介绍了锂电池的发展现状，进一步研究和开发锂离子电池对发展与能源密切相关的的各项产业具有非常意义，而且通过本课题的研究为我增加了很多聚合物锂电池的知识。电池运行状态的监测主要是通过检测电池的电压、电流、温度等同电池性能密切相关的参数与时间相对应的关系，得出当前电池的运行状态信息，然后通过分析处理并和预先设定的电池性能判断标准进行比较，从而诊断出电池的当前的健康状态是否良好5。本文设计的电池环境试验电量监测记录仪是以MSP430FG4618单片机作为控制器，实现自动采样电池电压，依据每个电池特性及时断开放电电路并记录存储放电过程中的电池电压，并通过电压、电量之间的运算关系，最终计算出锂离子电池的电量。1.2 本课题研究的目的和内容电池是目前人们生活中一种使用最频繁的后备电源，而且随着我国电力、通讯行业快速发展以及人们对电池维护工作的越来越重视，因此对电池监测仪器的市场需求也越来越大。而目前国内现有的监控仪器由于监测方法及电池失效模式判据不当的限制，使其性能不能完全满足对电池监控的需要,而国外的同类仪器虽然性能较高，但价格昂贵,不适合一般用户使用6。微处理器技术的飞速发展和电池监测技术方法的不断完善，为提高电池监测仪器的整体性能和降低系统成本提供了可能。研究开发具有巡检速度快、性能更加完善可靠、性能价格比高的电池智能监测仪器是电池监测装置的必然趋势和发展方向7。本课题研究的是如何设计基于MSP430FG4618的电池电量监测记录仪，通过所检测出来的电压数据采集结束后将所测试到的数据送到FLASH里，等待到发数命令后将FLASH里的数据通过串行方式读入计算机。然后在对产生的电压进行计算并求出电流，最终求出电量。1.3 电池电量记录仪的研究现状及发展趋势1.3.1 电池电量记录仪的研究现状(1)随着科技的进步，笔记本电脑微型计算机，数字照相机，移动电话，医疗器械以及近地轨道的地球卫星和高轨道同步卫星等新型电子仪器设备的发展，对电池产业提出了更高的要求。成本低，高能量密度，高电压，轻型化，使用温度宽（-3760），且循环寿命长，安全性能好的全新的绿色电源成为人们研究的热点，而锂离子二次电池成为市场前景最光明，发展最快的新型电池能源8。 (2)日本是名副其实的锂离子电池研究的中心。日本锂电池储能技术研究协会自助了将近一亿两千万美院，并为此指定了详细的新阳光计划。直至1995年，全球锂离子电池为日本独家生产而且产品份额基本上为日本垄断的局面难以打破。现在美国、韩国、法国、德国、加拿大、中国等国重点发展了锂离子电池，这些非日本电池企业的发展已经开始对日本锂离子电池的生产和应用市场产生影响9。 (3)我国从70年代中期开始研制锂二次电池10，较早开展此项研究的单位有天津电源研究所和北京有色金属研究总院、厦门大学、复旦大学、武汉大学等8。 (4)随着二次电池的快速发展，以嵌锂化合物作为正负极材料的新型高能量绿色电池，锂离子电池以其独特的优越性获得广泛的应用。相比其它传统的水溶液二次电池，锂离子电池具有单体电池工作电压高、质量比能量高、体积比能量高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低、工作温度范围宽、清洁无污染等优点11。目前我国对于监测仪的发展主要做了如下的技术努力12： (1)应用单片微机，提高仪表的可靠性、灵活性和分析能力，利用单片微机作为CPU，其产品售价也大大降低。 (2)具备了打印功能，扩展了诸如典型日参数统计、越限报警等功能。 (3)数据处理能力的加强。诞生了仪表附加卡式记录，用卡内E2 PROM对各个电压值进行记录，以便于插入专用转换座后由PC机进行辅助分析统计、存盘。 (4)注意可靠性的设计：普遍增设后备电源，便于仪表失电时对统计数据的保护及系统日历钟运行。采用全CMOS电路，既降低功耗，又提高噪声容限。(5)结构上作进一步改进，出现了槽装式、挂装式、便携式等多种结构的仪表，以适应不同用户的需要。1.3.2 电池电量记录仪的发展趋势电量记录仪的电压监测发展方向：(1)操作要“傻瓜”型，维护要方便型。任何仪表能否推广成功，设计是重要因素。要使操作人员能够直观地操作，不至于由于操作不当而造成仪表损坏，系统停机；要让维护人员容易实现定期校验、维护14。这应从以下几个方面努力：采用应答式操作方式，按键即能直接显示对应参数,按键出错，能够自动显示出错信息，释放键即能恢复正常显示；表内采用插板式结构，便于维修和更换；完善设计，采用新颖高可靠开关部件，软件配以自诊断功能。(2)提供升等的条件。如更换EPROM或少量芯片即能实现仪表升等以便于扩展功能和统计内容，延长仪表使用寿命。对110KV及以上等级的母线电压监测，需要五位数显示的电量监测仪，仪表的分辨力亦要提高，可以采用高档的单片微机来实现15。(3)功能可扩展。充分应用软件技术使仪表具备更多的功能供用户选择，如可以选择读出当月中任意一天的各整点电压及统计参数值，以适应不同用户对电压监测、分析统计的要求。1.3.3 锂电池电量计算方法(1)内阻法:研究表明，电池的内阻与荷电程度之间有较高的相关性，通过测量电池内阻可测量电量16。(2)电压法:基于电池电压和剩余电量之间存在的某种已知关系。它看似直接，但却存在难点：在测量期间，只有在不施加任何负载的情况下，才存在这种电池电压与电量之间的简单关联。当施加负载时，电池电压就会因为电池内部阻抗所引起的压降而产生失真17。1.4 锂电池放电特性1.4.1 锂离子电池概括锂离子电池，俗称“锂电”，是目前综合性能最好的电池。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LiMn2O4。电解质是含锂盐的有机溶液。通常锂离子电池并不含金属锂。由于锂离子电池不含任何贵重金属，原材料很便宜，降价空间大。同时，与传统的电池相比，锂离子电池具有突出的优点： (1) 工作电压高：锂离子电池的工作电压为37V，是镍镉和镍氢电池工作电压的三倍。在许多小型电子产品上，一节电池即可满足使用要求。 (2) 比能量高：锂离子电池比能量目前已达140Whkg，是镍镉电池的3倍，镍氢电池的15倍。 (3) 循环寿命长：目前锂离子电池循环寿命已达1000次以上，在低放电深度下可达几万次，超过了其它几种二次电池。 (4) 自放电小：锂离子电池盘放电率仅为68，远低于镍镉电池(2530)及镍氢电池(3040)。 (5) 薄型，轻量，无记忆效应(它可以根据要求随时充放电，而不会降低电池性能)。由于具备以上优点，锂离子电池在作为新型电池在某些领域正在逐步取代传统的可充电电池。主要应用于掌上计算机、PDA、通信设备、照相机、卫星、导弹、鱼雷、仪器等。1.4.2 锂电池放电特性一般称放电时电池端电压随时间的变化曲线叫做电池的放电特性曲线，锂电池在不同的放电电流下有不同的放电特性，其特性曲线见图. 由图可以看出，在开始放电时，锂电池的电压下降比较剧烈，然后进入一个稳定期，在稳定期电压下降很不明显，当电量接近放完时，又有一个剧烈的电压下降，如果此时继续放电，则会毁损电池；如果放电电流过大则放电时间非常短，电压急剧下降，电池温度急剧升高，电池则将无法正常工作；如果电池的电压下降到2.5V，再继续放电，将导致电池永久性损坏18。如图1.1所示： 图1.1 不同放电电流放电时间与电压曲线2 系统整体方案的设计2.1 研究对象 本文主要研究的是聚合物锂离子电池的电压、电流同电池性能密切相关的参数的变化而产生的相应变化情况。随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益，对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。最早得以应用于心脏起博器中。由于锂电池的自放电率极低，放电电压平缓，使得起搏器植入人体长期使用成为可能。锂电池一般有高于3.0伏的标称电压，更适合作集成电路电源。二氧化锰电池就广泛用于计算机、计算器、照相机、手表中。现在，锂电池大量应用在手机上，可以说是最大的应用群体。由于锂电池的特性，如微型摄像机、照相机等各种数码产品均使用锂离子电池。目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。随着能源的紧缺和世界环保方面的压力。锂电池现在被广泛应用于电动车行业，特别是磷酸铁锂材料电池的出现，更推动了锂电池产业的发展和应用19。随着温度等外部环境的变化，电池的电压会产生相应的变化，对使用电池的电子设备就会产生一定的损害，因此研究电池电压的变化规律对使用电池的设备有着重要的意义。2.2 设计方案的确定2.2.1 总体设计方案 本文的设计是基于MSP430FG4618实现的电池电压的监测记录，电池电压的采样是通过软件的控制来实现的，并且通过所监测出的电压在上位机上通过公式运算最终得出电量。电池电量监测的总体流程图如图2.1所示：电池放电单元主计算机RES232接口电压采集装置图2.1 总体流程图对锂电池电压信号进行测试，将电模拟信号导入一个十六路模拟开关，读入单片机具有模数转换功能的I/O口。利用MSP430FG4618单片机自带的AD转换功能转换成数字信号，判断这些数据是否在锂离子电池放电允许范围之内，单片机比较判断并对相应电路作出控制以后将有效数据存入FLASH。通过串口实现与计算机的通信。 2.2.2 电压采集装置电压采集装置是整个电量记录仪的重点，只有将电池的电压顺利的采集送入单片机，使它经过AD转换后存储在FLASH中，然后通过异步串口传送数据到计算机，才能对电池电压的变化情况进行分析。电压采集装置的流程图如图2.2所示： 放电电阻网络 . . . . . .调理电路单片机16路模拟开关图2.2 电压采集装置流程图如图2.2所示，将满量程的电池放入电压监测装置中并使用电阻放电，导入一个16路的模拟开关，实现切换电压信号的作用，然后连接调理电路进行降压处理，将已经过降压处理的电压读入单片机具有模数转换功能的I/O口，最后把AD转化的数据存储在单片机的FLASH中。2.2.3 通信电路本设计的通信电路能过RS232接口来完成，通信电路的流程图为图2.3所示：RS232接口计算机装置图2.3 RS232接口流程图上下位机通过RS232接口接收或发送数据和指令，实现单片机与主计算机的异步通信。串口进入传输数据状态从单片机闪存内读取数据, 依次送入主计算机,在计算机中通过串口助手对数据进行显示，并对所测得的数据进行分析处理。2.3 设计所实现的功能 本设计所要实现的功能为：对8路电池的电压进行采集，将采集到的数据送入单片机进行AD转换，然后存入单片机自带的FLASH中。若FLASH存满则停止采样转换，使单片机进入低功耗，等待计算机的发数命令。当计算机发出读数的信号时，单片机便要停止采样转换工作，将FLASH中的数据通过RS232送到计算机中，发送数据完成后便完成了这一次的工作，等待下一次的采集信号的命令。2.4 系统芯片2.4.1 放点控制的两种智能方法(1)利用目前比较成熟的电池管理芯片，实现聚合物锂离子电池的放电管理加上单片机组成控制电路。因为电池管理芯片实现的功能很多，例如：放电管理、检测电池的温度以及剩余电量等。但是无形之中增加了电池的功耗，还有使整个系统更加的复杂，并且电池的管理芯片价位都偏高也增加了整个系统的成本。(2)利用控制芯片自带的功能和外加模拟开关实现对电池的放电管理，再通过单片机数据存储，最后把采集的数据传输到计算机。该方案集成了方案一中放电管理芯片的功能，将检测、模数转换、存储、断电集成为一体。实现的放电系统减少了芯片数量并达到测试的目的，具有体积小，重量轻，控制电路简单，可靠性高，操作方便等优点。在众多控制芯片中，具有采集、存储、控制功能的芯片很多，最基本的是单片机。目前市场上的单片机种类很多，根据实际充电中AD接口数量需求，内存和闪存的要求，功耗大小等多种因素。选择了MSP430FG4618单片机。本设计所选择的系统芯片为MSP430FG4618，下面便对MSP430系列芯片进行详细的介绍：MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)，称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案，从而实现电路体积的尽可能微小化20。2.4.2 MSP430单片机的发展MSP430系列单片机是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。回忆MSP430系列单片机的发展过程，可以看出有这样三个阶段21： 开始阶段：从1996年推出MSP430系列开始到2000年初，这个阶段首先推出有33X、32X、31X等几个系列，而后于2000年初又推出了11X、11X1系列。 MSP430的33X、32X、31X等系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利，每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）、和EPROM型（E）等芯片。EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。这也表明了这几个系列的开发模式，即：用户可以用EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；而ROM型适应大批量生产的产品。 2000年推出了11X/11X1系列：这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O 引脚数比较少，但是价格比较低廉。这个时期的MSP430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性，如：片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33X系列才具备。33X系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，33X并不一定是最适合的，但片内高精度A/D转换器又只有32X系列才有。第二阶段：寻找突破，引入Flash技术。随着Flash技术的迅速发展，TI公司也将这一技术引入MSP430系列中。在2000年7月推出F13X/F14X系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41X、F43X 、F44X这些全部是Flash型单片机。 F41X单片机是目前应用比较广的单片机，它有48个I/O口，96段LCD驱动。F43X、F44X系列是在13X、14X的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3XX系列的最多120段增加到160段，并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间。MSP430系列由于具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。TI公司推出了具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。这种以Flash技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序，这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可达到32个字节的长度。 第三阶段：蓬勃发展阶段。在前一阶段，引进新技术和内部进行调整之后，为MSP430的功能扩展打下了良好的基础，于是TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15X和F16X系列的产品。在这一新的系列中，有了两个方面的发展：一是从存储器方面来说，将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB，这样一来，希望将实时操作系统（RTOS）引入MSP430的，就不会因RAM不够而发愁了。二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块。 在2003年中，TI公司还推出了专门用于电量计量的MSP430FE42X和用于水表、气表、热表上的具有无磁传感模块的MSP430FW42X单片机。我们相信由于MSP430的开放性的基本架构和新技术的应用，新的MSP430的产品品种必将会不断出现。 2.4.3 MSP430单片机的特点MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点22： （1）强大的处理能力：MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址），简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns，这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 （2）在运算速度方面：MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。 （3）MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us 。 （4）超低功耗：MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处：首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8V3.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA 。其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（32768Hz）,有的使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA。 （5）系统工作稳定：上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 （6）丰富的片上外围模块：MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设；它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A（Timer_A）、定时器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10 位/12位ADC、IIC总线直接数据存取（DMA）、端口O（P0）、端口16（P1P6）、基本定时器（Basic Timer）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A 和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6*8条I/O口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位 D/A 转换；硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 （7）方便高效的开发环境：目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后再烧写或者掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦除的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器，开发语言有汇编语言和C语言。 2.4.4 MSP430FG4618MSP430xG461x系列内部框图22如图2.4所示: 图2.4 MSP430xG461x系列内部框图:MSP430xG461x系列管脚图如图2.5所示：图2.5 MSP430xG461x系列管脚图 本设计中使用的是MSP430单片机中XG461X系列中的MSP430FG4618。它的特性描述如下23： 工作电压范围：1.8V3.6 V 超低功耗 活动模式:350A at 1 MHz, 2.2 V 待机模式:1.1A 关闭模式(RAM Retention):0.3A 五种省电模式 6s内从待机模式唤醒 16-Bit RISC指令体系, 125ns指令周期 3通道DMA 12-Bit A/D 转换器（内部参考电压、采样保持和自动扫描） 3个可配置运算放大器 双12-Bit D/A 同步转换器 16-Bit Timer_A（带3捕获/比较寄存器） 16-Bit Timer_B（带7捕获/比较寄存器） 片内比较器 具有可编程电平检测的供电电压管理器/监控器 串行通讯接口（USART1）,软件选择异步UART或同步SPI 通用串行通讯接口 增强的UART支持波特率自适应 IrDA编码器和解码器 同步SPI I2C接口 串行在线编程，无需外部编程电压，可编程的安全熔丝代码保护 欠电压监测器 具有实时时钟特性的基本定时器 160段LCD驱动系列器件包括： MSP430FG4616：92KB+256B Flash Memory, 4KB RAM MSP430FG4617：92KB+256B Flash Memory, 8KB RAM MSP430FG4618：116KB+256B Flash Memory, 8KB RAM MSP430FG4619：120KB+256B Flash Memory, 4KB RAM2.4.5 模拟开关 CD4067是单16路(单刀16位)模拟开关，各开关由外部输入二进制的地址码A、B、C、D来切换。其中脚10、11、14和13是地址码A、B、C、D的输入端；脚211和1623是开关的输入/输出端(开关位)；脚1是开关的输出输入公共端(开关刀)；脚15为控制端，低电平有效(选通)，高电平禁止(开关开路)。CMOD集成模拟开关CD4067为16选1的模拟开关。在数字电路中模拟开关是很有用的器件，用它来切换数字信号的传输是十分方便的。O/I口代表开关的公共端口，它等效一个单刀多位开关。各开关的切换是由BCD码作指令，BCD码的每四位二进制码可对应一个开关的接通，其余开关都断开。各开关都可双向传输信号，即各开关允许从n线到1线的信号传送(输入/输出)或1线到n线的分离(输出/输入)，以及允许信号的并/串转换。开关所需的BCD码由外部电路产生，并称BCD码为外部地址输入信号。当C=l时，无论地址码如何变化，所有通道均被禁止；而当C=0时，模拟开关处于正常工作状态。因此，利用禁止端可进行多片级联，以扩大通道数24。芯片CD4067管脚图如图2.6 所示：图2.6 芯片CD4067管脚图芯片CD4067的输入和导通如图2.7所示：输入导通通道CA3A2A1A0LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLHHHHLLHHLLHHLHLHLHLHI0/O0 O/II1/O1 O/II2/O2 O/II3/O3 O/II4/O4 O/II5/O5 O/II6/O6 O/II7/O7 O/I输入导通通道CA3A2A1A0LLLLLLLLHHHHHHHHHLLLLHHHHLLHHLLHHLHLHLHLHI8/O8 O/II9/O9 O/II10/O10 O/II11/O11 O/II12/O12 O/II13/O13 O/II14/O14 O/II15/O15 O/I无图2.7 芯片CD4067的输入和导通图2.4.6 MAX232该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口RS232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0 5v,MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。(1)主要特点:(2)单5V电源工作(3)LinBiCMOSTM工艺技术(4)两个驱动器及两个接收器(5)30V输入电平(6)低电源电流：典型值是8mA(7)符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28(8)ESD保护大于MIL-STD-883（方 法3015）标准的2000VMAX232芯片引脚图如图2.8所示：图2.8 芯片MAX232管脚图3 硬件设计3.1 硬件系统框架电池电量记录仪的硬件装置包括：模拟部分与数字部分；模拟部分包括电源供电系统、电池放电单元、模拟开关与调理电路；数字部分包括单片机部分、晶振部分和通讯部分。总体设计框图如图3.1所示：MSP430FG4618串行通信电路PC机电源管理系统模拟部分图3.1 总体设计框图3.2 模拟部分模拟部分的作用主要是采集、调理模拟信号，接受由模拟开关采集传送过来的电压信号，经过调理后传送到MSP430FG4618片内集成的ADC实现模数转换。3.2.1 电源管理系统在这个设计中，我们选用的MSP430单片机电源电压采用的是1.83.6V电压，所以我们选择能提供33V稳压电源的电源芯片LP2987。对于电路板上其他芯片5V供电都满足它们的要求，因此选择电源芯片LP2985。 芯片管脚图如图3.2，3.3所示25-26： 图3.2 芯片LP2985管脚图 图3.3 芯片LP2987管脚图电源管理系统电路连接图如3.4图所示：图3.4 电源管理系统电路连接图电源管理系统采用电源管理芯片LP2985和LP2987为整个系统供电。LP2985将电池电压转换为VEE为多路模拟开关CD4067供电；LP2987的两路输出VDD和VCC分别为MAX232和运放OPA2340供电。LP2985的4,5管脚间的电容C14、C15和LP2987的5管脚与地间的电容C12完成滤波，去除高频噪声的作用。3.2.2 电池放电单元电池的放电通过电阻网络进行，只有通过电阻网络的放电，才能使电池的电压通过模拟开关和调理电路后进入单片机进行AD转换。电池放电单元的电路图如图3.5所示：图3.5 电源放电单元电路连接图J4J11为电池，分为正负两极，电阻对电池进行放电，并采集R9R16两端的电压。R1R8为放电电阻，由于电阻会随着温度的变化而变化，所以需要精度较高的电阻，所以R9R16选择低温漂高精度电阻，低温漂电阻，是指阻值随温度变化小的电阻。越低的温漂，阻值变化越小，电阻越精密。电阻与温度的关系是电阻元件的电阻值大小一般与温度有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1C时电阻值发生变化的百分数。3.2.3 模拟开关模拟开关电路连接图如图3.6所示：图3.6 模拟开关电路连接图 8路满量程的电池放入电量记录仪中，必须使用模拟开关来进行通道间的转换。在这里，模拟开关选择的是CD4067，CD4067是数字控制模拟开关，具有低导通阻抗，低截止漏电流和内部地址译码的特征。另外，在整个输入信号范围内，导通电阻保持相对稳定。满足我当前设计的要求。CD4067是16通道的模拟开关。有四个二进制输入端A0A3和控制端CS，将采集到的数据通过A0A3分别于单片机相接,输入的任意一个组合可选择一路开关。CS=1时，关闭所有的通道,当C=0时,处于正常工作状态。在同一信号的控制下，单片机对电流采集电路，电压采集电路，发出相应指令，开始采集各个电池的电压，电流等模拟量。电压和电流都是模拟量，要想变为单片机能识别的数字量，需要进行AD转换。8路电池的模拟量经16路模拟开关被依次送到单片机的AD转换口，转换成单片机可以识别和比较的数字量。3.2.4 调理电路 单片机A/D输入范围0V到2.5V供电。而电池的最高电压为4.2V最低电压为2.7V,调理电路的主要作用是对输入的电压进行降压，使经过降压后的电压与单片机所需要的工作电压匹配，调理电路的电路连接图如图3.7所示：图3.7 调理电路连接图调理电路将锂离子电池的电压进行分压从而和单片机的电压匹配，因为单片机的选择决定输入端口电压的大小，故在在电池电压给单片机之前先进行分压，否则单片机AD端口采集到的电压高于其额定输入电压，单片机都会读成满量程FFFF，无法获得全面有效的电池状态数据。根据虚短虚断的原理2、3两管脚的电压相等,所以1管脚的电压值与3相同，即V1=VOUT。经过U6运放后，由于放大倍数为0.5，所以VIN为输入VOUT的一半。即将输入VOUT变换为A/D采样电压的有效范围。3.3 数字部分数字部分硬件可以分为：单片机部分、晶振部分和通讯部分。3.3.1 单片机部分设计中采用的是MSP430XG461X系列单片机，它是一个16位的、具有精简指令集、超低功耗的混合型单片机，能满足系统低功耗和方便携带的要求。有关MSP430FG4618单片机的详细介绍见2.4系统芯片。单片机作为本系统的内核，各引脚的接法如图3.8所示：图3.8 单片机电路连接图3.3.2 晶振部分MSP430系列所有器件都有时钟模块，都能实现超低功耗应用。MSP430的时钟由高速晶体，低速晶体，数字控制振荡器DCO，锁频换FLL等部件构成。而各个系列的不同基础时钟模块产生相同的结果：输出3种不同频率的时钟ACLK（辅助时钟）、MCLK（主系统时钟）、和SMCLK（子系统时钟）,送给不同需求的模块27。正是由于3种不同频率的时钟输出给不同的模块，才使得整个系统超低功耗成为可能。用户可以根据需要选择不同的时钟，如可用高速晶体产生较高的MCLK频率供给CPU以满足高速数据运算的需要。也可以在不需要CPU工作时关闭MCLK,而实时时钟可用较准确的ACLK供给，以达到减少电流消耗的目的。LFXT1CLK 由低频时钟晶体产生的低频时钟源,由标准高频晶体或陶瓷谐振器产生的高频时钟源以及外接时钟信号源。XT2CLK 由标准晶体或陶瓷谐振器产生,外接450KHZ8MHZ时钟信号源。DCOCLK 片内可以数字控制的RC振荡器。ACLK(辅助时钟) ACLK是LFXT1CLK信号经过1,2,4,8分频后得到的。分频系数可选，由参数DIVA控制，ACLK可由软件选作各个外围模块的时钟信号。MCLK(主系统时钟) MCLK可由软件选择来自LFXT1CLK、XT2CLK、DCOCLK三者之一，然后经过1，2，4，8分频得到。分频系数由DIVM控制，MCLK主要用于CPU和系统。SMCLK(子系统时钟) 可由软件选择来自LFXT1CLK、XT2CLK、DCOCLK三者之一，然后经过1，2，4，8分频得到。分频系数由DIVS控制，MCLK主要用于各外围模块。由于本系统只需要每1分钟对16通道的信息进行采集，不需要高频率的数据采集，所以可以使用内部的晶振，无需外接晶振。3.3.3 通信部分MAX232芯片连接电路图如图3.9所示：图3.9 MAX232芯片电路连接图其中在管脚C1+、C1-、C2+、C2-、V+和V-处分别放置1F的电容实现充电作用，以满足相应的充电泵的要求。管脚T1OUT、T1IN、R1OUT和R1IN分别是RS232转换的输入与输出脚，实现单片机的TTL电平与上位机的接口电平的转换。为减小输入端受到的干扰，还需在芯片的电源输入管脚处加一个0.1F的电容来实现滤波。MAX232采用0.3V6V的供电范围（Vcc）；与计算机接口的引脚R1IN和T1OUT上的电平分别为30V和15V，与单片机接口的引脚T1IN和R1OUT上的电平分别为-0.3V(Vcc0.3V)和-0.3V(Vcc+0.3V)。单片机采用3.3V供电，因此MAX232的供电电压Vcc采用3.3V。3.4 硬件电路原理图3.4.1 Protel99 SE本设计的开发工具采用Protel99，Protel99是PROTEL公司在80年代末推出的EDA软件，目前己发展到Protel DXP版。这是一个完整的板级全方位电路设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成等功能。Protel99电路仿真器使用的是BerkeleySPICE3f5XSPCE的增强版本，可以精确仿真任意组合的模拟和数字元件，不需要人工插入。使用Protel99作为开发工具，大大提高了开发速度和成功率。Protel99界面如图3.10所示：图3.10 Protel99界面图3.5 protel99 SE软件的使用方法3.5.1 建立一个数据库文件 1、打开protel 99se后,选择file菜单下的new菜单 2、选择新建的项目存放方式为DDB以及文件存放目录 3、新建好DDB文件后,我们就可里边的Documents目录下 4、可以新建SCH文件了,也就是电路图设计项目 5、新建后SCH项目后,在默认的一个protel99se元件库中,可以选择元件放到电路图中了 6、可以选择增加自己的元件库3.5.2 绘制原理图 （1）将元件放进SCH原理图中，并且设计元件的属性 （2）设计元件的属性，包括封装,名称，元件属性等 （3）在protel99se中设计中，放入网络标号.在同一原理中，所有相同的网络标号，在图纸中，表示同一网络结点 （4）设点电源地 （5）在protel99se中，放好元件，就可以画线了3.5.3 电路原理图设计3.6 硬件电路PCB板设计有了电量记录仪硬件电路的原理图，就可以生成PCB板。4 软件设计软件设计包括主程序和中断服务程序。主程序完成单片机的初始化，以及等待中断；中断服务程序包括上电中断服务程序、定时器中断服务程序以及串口中断服务程序。MSP430系列单片机支持汇编语言和C语言的编程，但是汇编语言只有27条精简指令，可以提高效率，所以本设计中采用汇编语言编程。4.1 软件系统中的主模块设计单片机的总体流程图如图4.1所示：开始打开串口记录完毕采集存储到FLASH初始化结束返回数据读完图4.1 单片机总体流程图4.1.1 初始化初始化程序流程图如图4.2所示：初始化堆栈，关闭看门狗开始ON信号的响应端使能中断；AD输入端使能 初始化各个端口低功耗模式，等待中断图4.2 初始化程序流程图初始化程序的功能就是初始化各个端口，使其各部件完成先前的准备工作。设置好各个端口的功能，比如哪些端口设置为中断的输入口，哪些设置为外部模块。设置完成以后就打开各个中断使能，使系统能响应各种中断。初始化程序：#include MSP430XG46x.h;- ORG 3100H ; Progam Start;-RESET MOV #1300H,SP ; Initialize x1x9 stackpointerStopWDT MOV #WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL ; Stop WDT MOV.B #0FFH,&P8DIR;P8.6-ONB MOV.B #00H,&P8OUT BIS #SCG0+OSCOFF,SR ;关闭DCO,晶振 MOV.B #FLLD_8,&SCFI0;DCO被用作MCLK,SMCLK前8分频 MOV.B #032H,&P1SEL;P1.0-TA0,P1.1输出MCLK,P1.5输出ACLK，P1.6输出SMCLK MOV.B #0E6h,&P1DIR BIC.B #OFIFG,&IFG1;晶振中断标志delay1 MOV