基于ARM的风力发电机智能充电器设计

西南交通大学硕士研究生学位论文第I页国内图书分类号TM910西南交通大学研究生学位论文基于ARM的风力发电机智能充电器设计姓名赖鹏申请学位级别硕士专业通信与信息系统指导老师冯全源教授二零一一年六月西南交通大学硕士研究生学位论文第II页摘要随着新能源技术的空前发展，风力发电技术被提到了一个全新的高度。采用铅酸蓄电池存储电能，作为风力发电机安全运行的重要保障，它位于发电机轮毂中，为发电机工作提供后备电源。本智能充电器配套风力发电机控制系统中，完成对蓄电池的全自动充电。本课题基于企业实际产品需求，研究和开发了一种专用于风力发电机轮毂中的铅酸蓄电池智能充电器，为风力发电机的控制系统进行设备配套，实际完成了系统硬件电路、控制程序、测试验证的设计工作。本论文主要对充电器ARM控制板的软硬件设计技术进行阐述。本充电器采用开关电源技术，基于32位ARM内核控制器的三段式全智能充电。控制器采用意法半导体公司STM32F103RB，它完成对蓄电池和开关电源的电压、电流、温度等8路AD信号的采集，然后进行三段式充电的分析控制，其间进行充电电压和电流的温度补偿控制，进行充电器自身安全工作的监测和控制，进行充电器对外部设备的串行通信控制。充电器实现了工作过程无人值守的全智能化，它能监测电源和温度进行设备自动保护，它能进行设备故障的自我诊断，并把诊断信息发送给发电机的主控设备。控制充电器工作的主要参数都可以进行远程的在线重配置，这样极大地提高了充电器对不同厂家的风力发电机控制系统和铅酸蓄电池的兼容性，增强了充电器对各种自然环境的适应能力。本论文所涉及的ARM控制板，完成了对温度、电流、电压的监测控制及报警，完成了三段式充电及温度补偿控制，完成了与上位机的通信控制和参数在线配置。各项性能指标完全达到了产品要求。关键词蓄电池；充电器；风力发电机；ARM；STM32西南交通大学硕士研究生学位论文第III页ABSRACTWITHTHEUNPRECEDENTEDDEVELOPMENTOFNEWENERGYTECHNOLOGY，THEWINDPOWERTECHNOLOGYISBROUGHTINTOABRANDNEWSITUATIONUSINGLEADACIDBATTERYTOSTOREELECTRICENERGY,ITISANIMPORTANTSECURITYOFTHESAFEOPERATIONOFTHEWINDTURBINELOCATINGINTHEGENERATORHUB,ITCANPROVIDEBACKUPPOWERSUPPLYFORGENERATORTHISSMARTCHARGER,COMBINEDWITHTHECONTROLSYSTEMOFWINDTURBINE,WILLCHARGETHEBATTERYAUTOMATICALLYBASEDONTHEDEMANDOFACTUALENTERPRISEPRODUCT,ASMARTCHARGERTHATSPECIALIZESINLEADACIDBATTERYOFWINDGENERATORHUBISDEVELOPEDANDSUPPORTSTHECONTROLSYSTEMOFWINDTURBINESOMERALATEDWORKAREPERFORMED,INCLUDINGTHEHARDWARECIRCUIT,CONTROLPROGRAM,TESTINGANDVALIDATIONTHISTHESISMAINLYELABORATESTHESOFTWAREANDHARDWAREDESIGNOFARMBOARDTHATCONTROLSTHECHARGERSWITCHPOWERTECHNOLOGYISAPPLIEDTOTHECHARGER,WITHRUNNINGTHREEGRADATIONCHARGEINTELLIGENTLYBASEDON32BITSARMKERNELCONTROLLERASTM32F103RB,PRODUCEDBYSTMICROELECTRONICS,ISADOPTEDASCONTROLLER,WHICHSAMPLESTHEVOLTAGE,CURRENTANDTEMPERATUREOFTHEBATTERYANDTHESWITCHPOWER,ANDANALYZESHOWTOCONTROLTHREEGRADATIONCHARGEMEANWHILE,TEMPERATURECOMPENSATIONFORCHARGINGVOLTAGEANDCURRENT,SAFETYMONITORING,SERIALCOMMUNICATIONBETWEENTHECHARGERANDPERIPHERALEQUIPMENTAREOPERATINGTHECHARGERISALLINTELLIGENTTHATDETECTSTHEPOWERANDTEMPERATUREANDPROTECTSAUTOMATICALLY,DIAGNOSESTHEPROBLEMBYITSELFANDTRANSFORMSTOTHEACQUISITIONEQUIPMENTOFTHEGENERATORTHESEMAINPARAMETERCONTROLLINGTHECHARGERARERECONFIGURABLEONLINE,THUSIMPROVINGGREATLYTHECOMPATIBILITYWITHDIFFERENTWINDTURBINECONTROLSYSTEMANDLEADACIDBATTERY,BUTALSOENHANCINGTHEADAPTATIONTOVARIOUSNATURALENVIRONMENTTHISTHESISPRESENTSANARMCONTROLBOARDANDIMPLEMENTSTHEMONITORING,ALARMING,TEMPERATURECOMPENSATION,PCCOMMUNICATIONANDPARAMETERCONFIGURATIONTHERESULTSHOWSTHATALLINDEXESMEETREQUIREMENTSOFTHEPRODUCTKEYWORDBATTERY，CHARGER，WINDTURBINE，ARM，STM32西南交通大学硕士研究生学位论文第IV页目录第1章绪论111引言112阀控式铅酸蓄电池基本原理213阀控式铅酸蓄电池充电技术3131阀控式铅酸蓄电池充电的化学反应3132阀控式铅酸蓄电池的充电方法314风力发电机的蓄电池及充电器5第2章充电器系统分析621充电器系统概述622充电器技术指标7第3章充电器控制板电路设计931充电器控制板功能932控制器1033控制板电路11331控制器电路12332AD采集接口电路14333PWM控制输出接口电路18334继电器信息输出接口电路20335开关电源启动控制电路21336串行通信电路及协议2234控制板电路板设计27341PROTEL设计技术27342控制板PCB设计2735充电器整机实物3136充电器控制板完整电路图33第4章充电器软件设计3741充电器软件设计平台37西南交通大学硕士研究生学位论文第V页411MDK开发工具37412STM32固件库3742软件设计38421主程序38422AD数据采集处理42423蓄电池温度补偿控制44424输出短路保护46425继电器分类处理48426报警信息分类处理49427串行通信50第5章充电器测试及维护5251充电器调试5252充电器测试55521充电器输出测试55522充电器温度补偿测试56523故障监控功能测试56524充电器参数远程配置5953蓄电池维护61结论62致谢63参考文献64附录1充电器开关电源原理框图66西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论11引言随着全球能源问题和新能源技术的空前发展，可再生能源被日渐重视，风力发电作为一种清洁的可再生能源，同时也是新能源中技术最成熟，最具备规模开发条件的发电方式之一，现在世界各地迅速发展利用。风力发电机的正常工作需要一个电能储存的设备，提供后备工作电源，它为风力发电机的安全运行提供重要保障，现在主要采用的是密闭式阀控铅酸蓄电池，这样蓄电池充电器就成了风力发电机安全运行的重要设备之一。本课题基于企业需求的实际产品，研究和开发了一种专用于风力发电机轮毂中的铅酸蓄电池智能充电器，为风力发电机的控制系统进行设备配套。本充电器具有充电速度快、充电还原效率高、无人值守的高度智能化、可超长时间充电、无过充电危险、蓄电池使用寿命长等特点。充电器功能强大而完善，主要功能有输入防浪涌，输入过压、欠压保护报警，输出过流、过压、短路保护告警，过温保护报警，电池温度变化的充电补偿，散热器温度过高的限流补偿，远程控制，运行参数可远程在线重配置，自动风冷散热，良好的电磁兼容性。12阀控式铅酸蓄电池基本原理阀控式铅酸蓄电池简称VRLA（VALVEREGULATEDLEADBATTERY），它克服了开口式铅酸蓄电池的缺点，使用时不加水和酸进行维护，它无泄漏、无污染、密封好、易于维护、使用方便。电池气压升高，单向排气阀会自动打开排出气体，当自动关阀后防止空气进入蓄电池。多年来，它以其优异稳定的性能，一直在工业、民用和军工领域得到广泛的应用。阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理是充电的时候，蓄电池把电能转化成化学能储存在电池内部；放电时，蓄电池将化学能转为电能防电。它充电和放电的过程是通过电化学反应完成的，其电化学的反应方程式如式114所示PBO2PB2H2SO42PBSO42H2O（11）蓄电池在正负电极发生的氧循环化学反应如图114所示西南交通大学硕士研究生学位论文第2页阀控式铅酸蓄电池的氧循环内部原理如图124所示，其原理是负极活性物质的过量设计技术，AG的电解液吸附系统，后期在正极产生的氧气通过AGM的空隙向负极不断扩散，与负极的活性物质海绵状铅发生反应，生成氧化铅，负极表面的氧化铅遇到硫酸（H2SO4）电解液发生反应生成硫酸铅（PBSO4）和H2O，硫酸铅再充电转变为海绵状PB，而产生的H2O又回到电解液，这样其负极是处于去极化状态，析出氢的电位达不到，由此负极就不会因充电而析出氢气，失水量很少，使用时就不需要加酸和水来维护。4阀控式铅酸蓄电池在使用过程中基本上不产生氢气，并且正极产生的氧气能以电池内循环的方式被阴极吸收，称为阴极吸收机理。实际上，绝对控制H2与O2的析出是不可能的，电解液仍有少量消耗，仍有少量的氧气和氢气析出。所以免维护蓄电池实际是叫少维护，随着工艺发展，其维护就会越来越少。4阀控式铅酸蓄电池的自放电是指电池在不给负载供电或者开路期间容量降低的现象。图11蓄电池氧循环化学反应图12蓄电池内部氧循环原理图西南交通大学硕士研究生学位论文第3页13阀控式铅酸蓄电池充电技术131阀控式铅酸蓄电池充电的化学反应阀控式铅酸蓄电池充放电的基本电极反应是铅（PB）和二价铅（PB2）及四价铅（PB4）之间的转化。其过程如下10充电过程阀控式铅酸蓄电池负极上的硫酸铅被还原为金属铅的速度大于硫酸铅的形成速度，使硫酸铅转变为金属铅；同样，在蓄电池正极上的硫酸铅被氧化为二氧化铅的速度也增大，导致正极转变为二氧化铅。放电过程阀控式铅酸蓄电池负极上失去电子被氧化，形成硫酸铅；对正极而言，是得到电子被还原，也是形成硫酸铅。化学反应的净结果，是外电路中出现了定向移动的负电荷。因为是放电后，两极的活性物质都转化为硫酸铅，所以叫“双极硫酸盐化”。阀控式铅酸蓄电池在开路状态下，其正负极的活性物质二氧化铅和海绵状铅与电解液的反应都趋于稳定，也就是说，正负极的氧化速率和还原速率相等，这样的电极电动势为平衡电动势。如果有充放电的反应进行，正负的极活性物质二氧化铅和海绵状铅分别通过电解液与放电态物质硫酸铅来回不断转化，形成电荷。阀控式铅酸蓄电池在充放电过程中，正负极的电动势会离开了其平衡状态，发生极化，其电压会有较大的变化。极化主要是由电化学极化、欧姆极化和浓差极化这3种因素造成的，因为3种极化的存在，在使用中要严格设置各种充放电电流和充放电电压，避免使用不当对蓄电池的性能造成大的影响。132阀控式铅酸蓄电池的充电方法一、阀控式密封铅酸蓄电池的充电特性蓄电池充电理论与实践都已经证明，充电接受电流I是充电时间T的指数函数，其函数如式12所示14。（12）式中I蓄电池可接受的充电电流，仅产生微量气体，也叫允许充电电流；I0T0时的最大充电电流，它由蓄电池的使用状态决定；A充电接受率，指蓄电池允许的充入电流和应该充入的容量之比，这个数值越高，表示电池的电流接受能力越强，充电时间就越短。阀控式密封铅酸蓄电池的充电特性决定了充电器应该具备的充电电压和电流特性，同时不同厂家生产的蓄电池充电特性还是具有一定的差异。西南交通大学硕士研究生学位论文第4页二、阀控式铅酸蓄电池的充电方法阀控式铅酸蓄电池的运行寿命和性能，与充电方法密切相关，好的充电方法应该是效率高而不伤电池，达到电池温升低，寿命长，充电快，充电足，失水少。在充电过程中，蓄电池的吸气和极化现象始终存在，并逐步加剧，严重影响充电质量，缩短电池寿命。按充电器的输出电能的方式不同，常用的充电方法有恒压充电，恒流充电和脉冲快速充电。恒压充电充电过程中的充电电压始终不变，重点是要选择恰当的充电电压。电压较低时，电流较小，充电时间短，蓄电池不能充足，长期亏电，常此下去，将加重蓄电池硫化，加速老化，缩短电池寿命。反之，电压过高，开始时电流较大，电量充满后，因为充电器和蓄电池电动势之间始终存在差值，仍有不小的充电电流，而导致过充电，电池内部的活性物质脱落，容量减小。所以，要根据不同的使用状况，不同特性，不同厂家的蓄电池，选择不同的充电电压值。恒压充的优点是充电速度快、时间短。但是电压恒定，电流不能调节，无法满足各种不同技术条件的蓄电池，不能保证蓄电池彻底充足。恒流充电充电过程中充电电流保持不变，这种方法充电速度快。为了提高其充电质量，一般将充电过程分为两个阶段。在第一阶段中，电流较大，当单格电压充到约24V，电池电解液中开始出现气泡时，将充电电流减小一半进入第二阶段，直到蓄电池完全充足为止。脉冲快速充电脉冲快速充电一般是采用高电压和大电流的方式，在较短时间内给电池充足电。随着新技术发展，脉冲快速充电的方法也越来越多。铅酸蓄电池采用的常规工作方式主要有循环充电和浮充电循环充电工作方式是完全放电，然后充电，再完全放电，再充电，反复循环。循环充电其初期充电电流不宜超过03C，充电的安培小时数要略大于放电安培小时数。也可先以01C的充电速率恒流充电数小时，当充电安培小时数达到放电安培小时数的90时，再改用浮充电压充电，直至充满。循环充电多应用于小容量移动型的便携式设备蓄电池中。浮充电工作方式是蓄电池与整流模块并联安装在负载上运行，负载供电在正常情况下由电源直接供给，在设备故障或者电力不充足的情况，才由蓄电池给负载供电。蓄电池随时都处于充电补足状态，包括蓄电池自放电引起的容量损失直接进入浮充电补足。浮充电掌握好充电电压，例如12V的蓄电池，充电电压就在135138V。浮充电压过低，蓄电池会充不满，过高就会造成过量充电。电压的调整，应该以初期充电电流不超过03CC为蓄电池的额定容量为原则。浮充电方式可以极大地提高铅酸蓄电池的使用寿命。西南交通大学硕士研究生学位论文第5页以上为目前常用的铅酸蓄电池充电方式，但这两种方式存在着一些不足之处。在充电流程中，电池电压逐渐增高，充电电流逐渐降低。由于恒压充电不管电池电压的实际状态，充电电压总是恒定的，充电电流刚开始比较大，然后按指数规律下降采用高速充电可能使蓄电池过量充电，易导致电池损坏。对于循环充电而言，采用较小电流充电，充电效果较好。但对于大容量的蓄电池，充电时间就会拖得很长，时效低，造成诸多不便。三、风力发电机智能充电器采用的充电方式本风力发电机智能充电器采用的充电方式是对上述充电方式的分析和综合，采用了三阶段的全智能控制充电模式，充电流程分为恒流快充、恒压慢充及涓流补足充电三个阶段，充电的工作方式采用浮充电方式。充电器的输出电压也具有和蓄电池相同的电压温度系数，充电电压随蓄电池温度变化进行补偿，由控制器采集蓄电池温度，然后按4MV/的调整系数对充电电压进行调整。这样完美地匹配风力发电机的控制系统，充电效果更佳，同时可以很好的延长蓄电池寿命，为风力发电机工作提供可靠的备用电源。14风力发电机蓄电池及充电器目前，风力发电机系统中尚无完全理想的专用深放电、长寿命蓄电池，广泛应用的是阀控封闭式免维护铅酸蓄电池。风力发电系统中蓄电池的充电控制有其特殊性，在这样的系统中蓄电池基本上是以浮充方式运行的，由于风能不稳定，在实际操作中，蓄电池并不是工作在典型的充放电循环状态，而是在一种带循环成分的浮充方式。风力发电机在正常工作情况下，充电器处于对蓄电池的浮充电阶段，补足蓄电池自放电的能量损耗，既保证了蓄电池能量的充足，又很好的延长了蓄电池寿命。根据浮充电压选择原则与各种因素对浮充电压的影响。国外一般选择稍高的浮充电压。范围可达225233V，国内稍低223227V。不同厂家对浮充电压的具体规定不一样。一般厂家选择浮充电压为225V/单体（环境温度为25情况下），根据环境温度的变化，对浮充电压应作相应调整。整个电池组的浮充电压等于蓄电池只数乘以单体蓄电池浮充电压值，同时要根据电池的负温度补偿系数4MV/单体/进行调整，也就是25温度的基础上每升高1，单体电池的充电电压降低4MV，由此得到整个电池组温度补偿后的实际充电电压值。反之，温度在25的基础上每降低1，则升高充电电压，单体电池的充电电压升高4MV，由此得到整个电池组温度补偿后的实际充电电压值。本充电器实现了从2560的蓄电池温度补偿，其对应充电电压在232263V，注意这里25充电电压是263V，60充电电压是232V，常温25时是244V。西南交通大学硕士研究生学位论文第6页第2章充电器系统分析21充电器系统概述风力发电机轮毂中的本充电器是一款基于开关电源的阀控式密封铅酸蓄电池充电器，它专用于风力发电机轮毂中的蓄电池充电，该蓄电池的作用是保障风机的安全运行。蓄电池与电源模块并联安装在风机叶片的电机负载上运行，在正常情况下，电机负载供电由电源直接供给，在设备故障或者电力不充足的情况，就由蓄电池给电机负载供电。例如风机在断电情况下，需要控制叶片收桨复位时，就需要由蓄电池给电机供电。该充电器输入交流电压为220V15，电池温度为25时输出直流电压244V1，具有与被充电池一致的电压/温度特性，其电压/温度变化率为04V/，额定充电电流16A，对于12AH的电池，其充电速率约为02C，平均充电效率不低于80。能够根据蓄电池温度进行充电电压的补偿控制，能够在充电器自身温度过高的情况下，自动降低充电电流，保障设备安全。本智能充电器具有可超长时间充电、充电速度快、无人值守、充电还原效率高、无过充电危险、蓄电池使用寿命长等特点。该充电器的最大特点就是功能强大而完善，主要功能有输入防浪涌，输入过压、欠压保护报警，输出过流、过压、短路保护告警，过温保护报警，电池和机壳温度补偿，远程控制，控制参数可软件远程修改，自动风冷散热，良好的电磁兼容性等功能。采用脉宽调制技术，高效率，高功率因数；纹波系数低，对其它设备干扰小。充电器电路构成包括开关电源、接口电路板和控制电路板三个部分。开关电源采用串联升压式整流输出的双端正激式开关电源，充电方式为三阶段充电，开关电源恒流充电的电压为244V，电流16A。接口电路板是完成开关电源到控制电路板的接口转换功能，一方面接口电路把开关电源的电压、电流等信号采集传递给控制板，另一方面接口电路把来自控制板的控制信号传递给开关电源。控制板采用意法半导体的工业级32位ARM内核控制器，完成对整个充电器的充电过程控制、故障检测控制、以及对外的信息通信等智能控制。风力发电机的蓄电池供电要求是216V，实际中常用18只12V12AH蓄电池串联，蓄电池每只有6格，224V/单格。本充电器采用ARM控制器作为控制核心，控制开关电源完成三阶段充电控制。三阶段充电的进行第一阶段是恒流限压充电，以16A充电电流进行快速充电，即以05C充电至在线电压244V，电流开始下降；第二阶段是恒压充电阶段，即以02C充电至电流降为01A左右；第三阶段是涓流补足的浮充电阶段，即以001C充电至充入电量为放出电量的105时充电结束。然后充电器长期维持00501A的浮充状态，补充蓄电池自身的自放电，使蓄电池维持满电量状态西南交通大学硕士研究生学位论文第7页长期保养维持。本充电器根据温度补偿算法，严格控制浮充电压，极大地保证了铅酸蓄电池浮充电的安全，使蓄电池工作寿命更长。22充电器技术指标本充电器的主要技术指标包括输入特性如表21、输出特性如表22、环境适应性如表23。表21输入特性指标表22输出特性指标项目技术指标备注输出额定电压DC，244V125恒流充电电流16A2可软件重配置输出欠压关断173V，恢复183V可软件重配置输出过压关断265V，恢复260V可软件重配置纹波2V（带阻性负载）输入电压220VAC散热器过温关断90，恢复85可软件重配置电池过温关断45，恢复40可软件重配置输出短路短路20秒保护可软件重配置效率80项目技术指标备注输入额定电压AC，220V输入电压范围AC，220V1520输入电压频率45HZ65HZ输入欠压关断179V，恢复184V可软件重配置输入过压关断268V，恢复265V可软件重配置西南交通大学硕士研究生学位论文第8页表23环境适应性指标环境参数种类参数单位使用环境条件运输环境条件存储环境条件备注低温202540高温605585温度变化/MINBOARDBX30HEAD123123456789101112X1HEAD123TP8GND55V图315开启电源输出的接口控制电路西南交通大学硕士研究生学位论文第23页解决此问题的方法就是通过DCDC将系统电源和RS485收发器的电源隔离；通过隔离器件将信号隔离，彻底消除共模电压的影响。实现方案可以是使用二次集成芯片，如ADM2483、ADM2587E等，或者是采用传统光电隔离器进行隔离。这里我们采用了3个光耦合器SFH6156来实现接口电路隔离，隔离后控制器一端采用33V电源回路，而接口外端采用5V电源回路。隔离虽能有效的抑制高共模电压，但是总线上还会有浪涌冲击、电源线与485线短路、雷击等潜在危害，所以我们在总线端再采取一定保护措施。在RS485的VA、VB上各串接一个420的PTC电阻，并在VA、VB各自对地端接6V/8V的瞬变电压抑制二极管TVS（TRANSIENTVOLTAGESUPPRESSOR）。TVS是一种二极管形式的高效能保护器件，当TVS的两极受到反向瞬态高能量冲击时，能以负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，从而可以吸收数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于预定值，有效保护电路中的元器件，免受浪涌脉冲的损坏。实际中，这些保护措施都需要根据设备的实际情况灵活采用。二串行通信协议本充电器通过485串行接口与上位机进行串口通讯，485通信协议一般都是根据应用需求自己定义，现自定义通信协议如下一物理层RS485接口标准，波特率9600，校验位无，数据位8，停止位1。R380C3201UBS15V1234567891110X2DCONNECTOR9234VCC8167GND5DRABU9SN65LBC184GND5GND5GND5GND51243U101243U81243U11SFH61562R651KR601KR681K33V33V33V485_DER6910KGND5UART_TXUART_RXGND5R631KR591KR64120R61630R67630BS2GND5R6620R6220GND5BS34855V4855V4855V图316485通信接口电路西南交通大学硕士研究生学位论文第24页二数据格式统一为16进制，单位为字节，多字节数据高位在前，低位在后。三通信方式1通讯采用中断接收、查询发送的异步通信模式。2通讯采用一问一答方式，由上位机发出一帧，下位机回答一帧。本通讯不要求较高的实时性，这种一问一答方式简单而可靠。3下位机接收一帧，回答一帧；下位机接收错误时发送报错帧应答；上位机收到下位机的正确应答帧后，继续发送下一帧。4上位机等待下位机应答响应的最长时间为200MS，无应答或者收到错误应答，则重复发送该帧。连续10次无正确应答（无应答或者收到错误帧），或者应答时间超过200MS，则上位机报错，并在界面提示通讯失败如图317所示，终止本次通信。四帧类别1计算机发出的帧类别命令帧、查询帧。2单片机发出的帧类别回答命令帧、回答查询帧。五帧格式定义每个数据帧长度固定为14个字节，帧结构定义为图317连机超时提示西南交通大学硕士研究生学位论文第25页帧结构说明如下1用数值55，66表示一帧数据的开始，占用2个字节。2帧类别占用为1个字节。0X0C上位机发命令；0XCC下位机发命令回答；0X0D上位机发查询；0XDD下位机发查询回答；0X88上位机联机命令；0X99下位机联机应答；0X44下位机接收错误报错。3标识占用为2个字节，分为标识1和标识2。A标识1为参数类型01电源控制类参数；03时间控制类参数；02温度控制类参数；04AD采集及校对。B标识2为参数编号它对同一类型参数进行编号标识，编号范围0X00FF。4参数长度指后面参数数据占用的字节数。5参数数据本身，占用4个字节，未用的字节默认为0。6前10个字节的CRC数据校验值，占用2个字节。7用数值AA,BB表示一帧数据的结束，占用2个字节。六帧应用举例1上位机联机握手帧位置1、234、567、8、9、1011、1213、14定义55、6688XXXXXXXXXXXXXXCRCAA、BB2下位机应答握手帧位置1、234、567、8、9、1011、1213、14定义55、6699XXXXXXXXXXXXXXCRCAA、BB3上位机发电源类参数命令帧位置1、234、567、8、9、1011、1213、14定义帧头标识帧类别帧标识长度参数数据CRC帧尾标识西南交通大学硕士研究生学位论文第26页位置1、234、567、8、9、1011、1213、14定义55、660C01XXXXXXXXXXXXCRCAA、BB4下位机应答电源类参数命令帧位置1、234、567、8、9、1011、1213、14定义55、66CC01XXXXXXXXXXXXCRCAA、BB5上位机发温度类参数查询帧位置1、234、567、8、9、1011、1213、14定义55、660D02XXXXXXXXXXXXCRCAA、BB6下位机发应答温度类参数查询帧位置1、234、567、8、9、1011、1213、14定义55、66DD02XXXXXXXXXXXXCRCAA、BB7下位机发报错帧位置1、234、567、8、9、1011、1213、14定义55、6644XXXXXXXXXXXXXXCRCAA、BB西南交通大学硕士研究生学位论文第27页34控制板电路板设计341PROTEL设计技术PROTEL99SE是ALTIUM公司最为代表性的一款功能强大、深受电路设计者欢迎使用的EDA设计系统软件。它将电路原理图设计、PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具软件组合后构成的EDA工作平台，为用户提供全线的设计解决方案。在原理图完成的基础上，利用PROTEL进行PCB设计一般遵循确定外形、布局、布线、规则检查等几个步骤。基本设计步骤如下1绘制元件库，根据设计所需器件，制作元件库。2绘制原理图，取出原件，绘制电路原理图。3绘制封装库，根据设计所需器件封装，绘制器件封装库。4导入网络表，从电路图生成网络表，并把网络表装入PCB电路版图。5电路板布局，布置PCB电路板上器件的位置。6电路板画线，PCB电路板中完成器件的电气连接线。7电气规则检查，根据设置的电气规则检查PCB设计是否违反规则，并改正。在进行PCB设计之前，首先要准备好原理图SCH的器件库和PCB的器件库。标准器件可以用PROTEL自带的库，但有些器件很难在标准库中找到合适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸做自己的器件库，拥有自己的SCH器件库和PCB器件库。PCB器件库要求非常严格，它决定电路管脚的电气连接，和板子上器件的安装。SCH的器件库要求相对比较松，关键是定义好电气意义的管脚属性，以及与PCB器件的对应关系就行。最终达到SCH和PCB的完美融合。342控制板PCB设计一控制板PCB布局本充电器控制板，根据安装要求确定的尺寸，完全满足器件要求，而且板的空间还有很大的余量，为布局布线提供了充足的空间。本电路布局思想如下1对有严格位置要求的器件优先考虑，如连接外部，位置固定的接口。西南交通大学硕士研究生学位论文第28页2根据数模电分置，模块电源隔离的原则，确定各模块电路与接插件的位置，把接插件涉及的模块进行优先布局，按电源进行分类划分。其它模块以CPU为中心，根据连接线所处位置，同时参考连接线的信号走向，进行模块的位置布局，考虑好模块与模块之间的连接线，尤其是批量的总线需要重点和优先考虑。3模块整体布局确定后，进行模块内部的细节布局，元器件在考虑线路连接与走向的基础上，横平竖直进行器件分类与对齐，当然不能刻意的强求对齐，要全方位的权衡利弊，在没有大的不良影响下，尽量实施器件对齐。4模块内部器件完成细化布局后，再次进行整体的模块布局调整，这一次布局是对第一次模块布局的确认和细化。此时要充分考虑敷铜线占用的位置空间，尤其是大批量的线，模块与模块之间要预留出适当的空间给连接线用。同时，注意重点考虑电源线的走线和空间位置。5在上述过程中，同时考虑敏感模块和信号线的位置，例如晶体振荡电路，要求走线简短，远离其它关键信号。6电源地回路的处理，电源通道是设计中的全局重点，是系统电磁兼容性能成败的关键。本电路在电路设计中已经充分实施了电源隔离（分置多电源供电），然后在PCB中尽量使各个电源模块器件分置内聚，设计中尽量保证地平面的完整性。7除上述思想外，根据电路板电磁兼容性设计的一系列思想，进行综合考虑。所有思想切忌一刀切，必须互相权衡利弊，互相让步，达到最终的和谐统一。根据以上思想，实际得到电路板布局如图318所示。还有更多电磁兼容性设计标准和措施，在此没有叙述，请查阅其它相关资料。本充电器工作在风力发电机内部，处于一个非常恶劣的环境中，这对电路的PCB板设计提出了很高的要求，本设计的PCB板具有如下特点图318控制板布局版图西南交通大学硕士研究生学位论文第29页1电路板各个电源地平面的完整性得到了充分保障，以双面板达到了四层板的性能，降低了电路板成本。2整个电路的地平面按照不同电源实施了地平面分割的PROTEL版图如图319所示（PCB底层的实物如图320所示），共计分割为5个地（33V、5V、12V、16V和机壳地），这样对外部接口窜入的干扰实施强制隔离。3本电路属于弱电流小信号电路，PCB中常规信号线宽采用10MIL（1MIL0001英寸）走线，电源线宽采取50MIL、30MIL，也就是说涉及到电源和地的线路都做了加宽的处理。4外置晶体振荡器电路采用了顶层铺地的屏蔽措施，同时晶体振荡器电路在PCB底层也得到地平面包围，达到了很好的电磁隔离。晶体振荡电路位置离控制器很近。5对电源的每个退耦电容的放置位置，都做了细致的考虑。基于以上的电磁兼容性处理，本PCB获得了很好的电磁兼容性能，实际工作稳定，高低温柜在（25，65）测试及煲机，一切正常。经测试，整机各项指标也都全部达到要求。图320控制板PCB实物底层图图319控制板双层PCB的底层版图安装螺钉孔（机壳地）5V地33V地5V地12V地16V地33V地西南交通大学硕士研究生学位论文第30页完成布线后的PCB版图如图321所示，实物如图322所示。图322控制板PCB实物图图321控制板PCB版图西南交通大学硕士研究生学位论文第31页35充电器整机实物充电器整机实物如图323所示，整机底座是一个散热器，采用了12CM厚的实心铝合金板，开关电源的功率管和探测外壳温度的热传感器都固定在铝板上面。图323所示接口从左下角按反时针方向依次是交流220V输入接口（3针）、充电输出接口（2针）、继电器信息输出接口（6针）、远程复位控制接口（4针）、蓄电池传感器接口（3针）、串行通信接口（9针）。图323充电器整机实物图西南交通大学硕士研究生学位论文第32页充电器整机裸机实物图如图324所示，图中左边是控制板，中间是开关电源的接口板，右边是开关电源板。图324充电器整机裸机实物图西南交通大学硕士研究生学位论文第33页36充电器控制板完整电路图R370RESINR768233VC1501UC501UE510U/35VR31KC401UAD0VREFREF1VCC8CT3GND4RESIN25RESET6U2TL7733BLED103R55680LED100R52680R54680LED102R53680LED101SDASCLLED102LED101LED103LED100X18_34RESET18_OUTRESET18_INC1420PJZ18MHZC1320PX1612X1645UART_RXUART_TXAD3VDCJCAD5VDCTZAD4IDCAD6VACINAD2JKAD1HJAD7BOXAD0VREFC_HSDC_COMPV16_INRESETC101U33VJTDIJTMSJTCKJTDOJTDOJTDIJTCKJTMSPWM0PWM15VRESIN33V33V33V33V33VC601UR6100R210KXTAL1XTAL2R57470R56470R147KXTAL1XTAL2VIN3GND1VOUT2U1TIL1117MH4200H1300H2301H3302TP10TP11TP12TP13VBAT1PC13ANTI_TAMP2PC14OSC32_IN3PC15OSC32_OUT4OSC_IN/PD05OSC_OUT/PD16NRST7VSSA12VDDA13PA0WKUP14PA115PA216PA317PB2/BOOT128VSS31VDD32PA14/JTCK/SWCLK49PA15/JTDI50PB3/JTDO55PB4/JNTRST56PC08PC19PC210PC311VSS18VDD19PA420PA521PA622PA723PC424PC525PB026PB127PB1029PB1130PB1233PB1334PB1435PB1536PC637PC738PC839PC940PA841PA942PA1043PA1144PA1245PA13/JTMS/SWDIO46VSS47VDD48PC1051PC1152PC1253PD254PB557PB658PB759BOOT060PB861PB962VSS63VDD64U7STM32F10164JTRST33VR4747KR5847K33VVCC1VCC2TRST3GND4TDI5GND6TMS7GND8TCK9GND10RTCK11GND12TDO13GND14SRST15GND16NC17GND18NC19GND20X3JTAG20PIN33VJTRSTRESET1RESET1S1RESETKEYVDDAVSSATP233VTP4GND33485_DETP15VSDASCLLED102LED101LED103LED100X18_34RESET18_OUTRESET18_INX1612X1645UART_RXUART_TXAD3VDCJCAD5VDCTZAD4IDCAD6VACINAD2JKAD1HJAD7BOXAD0VREFC_HSDC_COMPV16_INRESETJTDOJTIJTJTMSPWM0PWM1RESIN33V33V33VR57470R56470XTAL1XTAL2VBAT1PC13ANTI_TAMP2PC14OSC32_IN3PC15OSC32_OUT4OSC_IN/PD05OSC_OUT/PD16NRST7VSSA12VDDA13PA0WKUP14PA115PA216PA317PB2/BOOT128VSS31VD32PA14/JTCK/SCLK49PA15/JTDI50PB3/JTDO55PB4/JNTRST56PC08PC19PC210PC311VSS18VDD19PA420PA521PA622PA723PC424PC525PB026PB127PB1029PB1130PB1233PB1334PB1435PB1536PC637PC738PC839PC940PA841PA942PA1043PA1144PA1245PA13/JTMS/SWDIO46VSS47VDD48PC1051PC1152PC1253PD254PB557PB658PB759BOOT060PB861PB962VSS63VDD64U7STM32F10364JTRST33VR4747KR5847K33VVDDAVSSA485_DE西南交通大学硕士研究生学位论文第34页C1001UC1101UC1201UC801UC901U33VE3100U/35VE210U/35VE4100U/35VC701UR40R50E61U/25VC1601UVSSAVDDAE10100U/35VGND5VOUT2GND3VIN1VR2REF29335V32184U12ALM258R9147KR9747KC4301UR9247KR9847KR10022KR10168KC4001UR94100567U12BLM258C391U/25VC4201UR8510016VR8922KR8868KR10747KR10647K16VAD7BOXV11IN2IN3G14G25O6O7V28U13HCPL7840E810U/35VC4101UGND12R90105VR9310K123X6C46470PC44470PC4501UR96220R104220R10522VDDGND12TP16GND12GND5GND5GND5GND5GND533VD11BAV99GND5GND5R9910C4701U1234X10C5001UC48100U/25VGND1212X712VINGND12E910U/35VR1091KR1081K123D13BAV991243U16SFH61562R113100C5101URESET18_INR11247K33VX184X183X182X181TP18VDDTP20TP19VINVOUTGNDU15L4941BDTTRDCDC1234U14122412X8TP17TP18TP17C4901UVDDC5201UR111100西南交通大学硕士研究生学位论文第35页R380R8210KR8022KR81100C3501UAD1HJTDT1KTY81210R83100C3801UAD2JK12X5C3701UR84100R870123456X9C33440X1250Y14700PFX162X163X16116V132D9BAV99R741KQ6BC817R7347KR7010KQ5BC807R7233KC34440X1250Y14700PFX165X166X16416V132D10BAV99R791KQ8BC817R7847KR7510KQ7BC8075VR7733KX1612X1645R1300R13447KR133100R132100R13147K33VC5701USDASCLX162X163X161X165X166X16416V入入SDA5VCC8WP7CND4SCL6A23A01A12U2024C1651234K1JS12NK51234K2JS12NKR71220R76220TP14TP15GND5GND5GND5GND512X4TP19TP20C3201UBS15VGND5VOUT2GND3VIN1VR1REF29335VGND5C3601UGND51234567891110X2DCONNECTOR9234VCC8167GND5DRABU9SN65LBC184GND5GND5GND5GND51243U101243U81243U11SFH61562R651KR601KR681K33V33V33V485_DER6910KGND5UART_TXUART_RXGND5R631KR591KR64120R61630R67630BS2GND5R6620R6220GND5BS3E11100U/35VR8604855V4855V4855VREF33西南交通大学硕士研究生学位论文第36页R32220Q1BC807R3015K5VD1BAV99R3147KC_COMPQ3BC817R3610KR3547KQ2BC807R3315KD2BAV99R3447KC_HSDR48330132D5BAV9933VC2801UAD3VDCJCR49330D6BAV9933VC2901UAD4IDCR50330D7BAV9933VC3001UAD5VDCTZX106R51330D8BAV9933VC3101UAD6VACINX107X105X104C27100U/25VR3905VR810016VC26100U/25VR4447KR4610KR4315KQ4BC817R45100V16_INX107X106X105X104X109X10832184U3ALM25816VR290R28100KR2415KR25120KC2301UC171U/25VC2410NFR23100KR2722KR201KR11100KR947K5VR1522KC2001UR1247KC1801UR13120KR181KC1910NFR16100KR170PWM1PWM0R14100X108R26100X109C2501UR2147KE710U/35VC2201UR1910016VC211U/35V567U3BLM258312D3BZX845V1Z2WNC1NC8VIN2NC7TEMP3VOUT6GND4TRIM5U5REF02TP5TP7TP6VAREF1234U4FDC5612B7Q123456U6FDC5612B7QTP9E110U/25VC201UGND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5GND5R10100R22100R400GND5BOARDBX30HEAD123123456789101112X1HEAD123C301U312D4BZX845V1Z2WR4220KTP8TP215VGND5GND5西南交通大学硕士研究生学位论文第37页第四章充电器软件设计41充电器软件设计平台充电器软件采用基于ARM内核的嵌入式C语言编写，开发平台使用REALVIEWMDK40软件配合JLINK仿真器。同时，直接应用意法半导体公司提供的STM32内核固件库进行开发，使开发工作更加标准规范，同时提高了开发效率。411MDK开发工具REALVIEWMDK开发工具如图41所示，它集成了业内最先进技术，包括REALVIEW编译器与VISION3集成开发环境，它支持ARM7、9，和最新的CORTEXM3内核，能够自动配置启动代码，集成FLASH烧写模块，具