基于C8051F530單片機的電動汽車電池檢測器
2014-06-16 05:35:29王鎖弘
科技創新導報 2014年4期
摘 要：從電動汽車電池管理系統的結構分析入手，提出了一種采用485通信總線的電池信息采集模塊，詳細介紹了基于C8051F530單片機的電池檢測器的硬件原理圖和主要軟件功能，推導出了溫度計算公式。
關鍵詞：電池管理系統 溫度檢測 光電隔離 C8051F530
中圖分類號：TM930 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0098-02
電動汽車的動力電源通常是由多個電池串聯組成的直流高壓電源，多個單體電池串聯以后，要實現電壓的測量以及與上位機的通信，既要解決各個測量電路之間的隔離問題，也要考慮測量模塊的長期在線工作對電池電量的消耗。
1 電動汽車電池管理系統的結構
電動汽車電池管理系統的結構如圖1所示，整個系統包括一個上位監控器，若干個下位檢測模塊和電池組等。上位監控器一般由單片機、電流檢測電路、液晶顯示器，485電平轉換器以及CAN總線接口等組成，通過485通訊總線與下位電池檢測模塊相連，通過CAN總線和充電器、變頻器以及整機控制器來交換信息。圖中串行通信采用485總線，下掛N個智能型電動汽車電池檢測器，組成分布式電池管理系統，上位計算機只有4根連線和下位檢測器連接，分別是：電源+5 V，電源地GND，A，B。
2 基于單片機C8051F530的電池檢測器
汽車單片機是符合AEC-Q100規范并具有在高達125 ℃高溫下運行的汽車級產品。在Silicon Labs推出的混合信號SOC單片機中，C8051F5xx是工業和汽車級的單片機[1]。C8051F系列單片機和傳統的51系列單片機只是指令兼容，128字節的基本存儲器結構一樣，其他方面，特別是內核結構并不一樣，其性能遠超普通8051系列單片機。傳統的51單片機12個時鐘周期組成一個機器周期，而對C8051F系列單片機而言，一個時鐘周期就是一個機器周期，24.5MIPS是該系列產品的基本指標。
本方案選擇C8051F530單片機作為主控芯片，作為一款汽車級單片機，它具有四個顯著特點：集成有一個LIN2.1總線控制器；1.8～5.25 V的寬電壓供電，內置一個低壓差線性穩壓器LDO；精度可達±0.5%的內部晶振；溫度范圍可達-40～+125 ℃。片上看門狗定時器、電源監視器、電壓比較器、溫度傳感器，片內JTAG調試和邊界掃描系統等。
圖2所示為基于C8051F530單片機的電動汽車電池檢測器原理圖，穩壓電路給單片機及其外圍電路提供電源，輸入即為電池的12 V端電壓，VR1采用輸出3.3 V的線性穩壓器。電壓測量電路采用電阻R3和R4的簡單分壓電路，將12 V電壓按1/4的比例分壓，得到的低壓信號送入單片機的ADC輸入端進行模數轉換，地址編碼電路由5位二進制選擇開關ADR1組成。電平轉換電路U2采用MAX485芯片組成485串行通信電路，其作用是將經過光電耦合器U3和U4隔離的TTL電平，轉換成484總線電平，MAX485的電源由上位機供電。電源檢測電路用一個簡單的取樣電阻R13和光電耦合器U4組成，當上位機供電時，光電耦合器U4的輸入端導通，使輸出端產生的低電平輸出給單片機。
低功耗單片機U1是檢測器的主要控制芯片，在AD轉換中斷程序中，單片機U1完成對電池電壓和電池溫度的采樣處理，進行求平均值運算。在響應上位計算機發來的串行通信中斷服務程序中，把收到的地址數據與自己的地址編碼進行比較，如果相等，則把通過AD轉換測量得來的電池電壓和電池溫度發回給上位單片機，反之如果不相等，則不理會上位計算機的請求，繼續進行檢測電池電壓和電池溫度的工作。當上位計算機的電源關斷以后，單片機記錄當前的參數，為了節省電池電量，進入微功耗省電方式，直到上位計算機的電源重新打開，單片機又重新進入正常的工作狀態。
3 電池檢測器的軟件設計
電動汽車電池檢測器的軟件模塊主要有溫度采集模塊、電壓采集模塊和串行通信等模塊。電壓的采集比較簡單，就是一個模數轉換程序，在ADC的中斷服務程序中完成。通信程序采用UART中斷程序，一般情況下由上位機采用巡回檢測的方式，主動下發各個電池檢測器的地址碼，地址碼識別成功的電池檢測器，將其應答數據上傳給上位計算機，在某個檢測器有異常情況時，檢測器也可以主動向上位計算機發送報警數據。
為了簡便起見，溫度的求取沒有采用公式計算法，而采用了阻值查表的方法。根據電路連接關系和歐姆定理，存在如下公式：
（1）
式中：為熱敏電阻阻值；為熱敏電阻分壓；為精密電阻；為單片機電源電壓。
由公式（1）可求出熱敏電阻的阻值，再通過對熱敏電阻的溫度—阻值查表，即可得到溫度值。
4 結語
基于SOC混合信號單片機C8051F530的電動汽車電池檢測器，是一種智能型電池檢測器，不管電池組處于充電狀態還是放電狀態，各個單體電池的檢測器都能互相隔離，安全工作，解決了單體電池電壓和溫度的實時精確采集問題，能與上位機算計通過標準串行接口交換信息。該檢測器具有電路簡單，成本低，體積小，可以方便地附加在電池的外殼上，電池編號容易，便于推廣應用和批量生產等特點。
參考文獻
[1] C8051F530 Data Sheet[Z].Silicon Labs.USA.2006.
[2] 路石超，路建統，王鎖弘.一種智能型電動汽車電池檢測器.中國，2011101104540[P].
[3] 包海濤.嵌入式SOC系統開發與工程實例[M].北京：航空航天大學出版社，2009.endprint
摘 要：從電動汽車電池管理系統的結構分析入手，提出了一種采用485通信總線的電池信息采集模塊，詳細介紹了基于C8051F530單片機的電池檢測器的硬件原理圖和主要軟件功能，推導出了溫度計算公式。
關鍵詞：電池管理系統 溫度檢測 光電隔離 C8051F530
中圖分類號：TM930 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0098-02
電動汽車的動力電源通常是由多個電池串聯組成的直流高壓電源，多個單體電池串聯以后，要實現電壓的測量以及與上位機的通信，既要解決各個測量電路之間的隔離問題，也要考慮測量模塊的長期在線工作對電池電量的消耗。
1 電動汽車電池管理系統的結構
電動汽車電池管理系統的結構如圖1所示，整個系統包括一個上位監控器，若干個下位檢測模塊和電池組等。上位監控器一般由單片機、電流檢測電路、液晶顯示器，485電平轉換器以及CAN總線接口等組成，通過485通訊總線與下位電池檢測模塊相連，通過CAN總線和充電器、變頻器以及整機控制器來交換信息。圖中串行通信采用485總線，下掛N個智能型電動汽車電池檢測器，組成分布式電池管理系統，上位計算機只有4根連線和下位檢測器連接，分別是：電源+5 V，電源地GND，A，B。
2 基于單片機C8051F530的電池檢測器
汽車單片機是符合AEC-Q100規范并具有在高達125 ℃高溫下運行的汽車級產品。在Silicon Labs推出的混合信號SOC單片機中，C8051F5xx是工業和汽車級的單片機[1]。C8051F系列單片機和傳統的51系列單片機只是指令兼容，128字節的基本存儲器結構一樣，其他方面，特別是內核結構并不一樣，其性能遠超普通8051系列單片機。傳統的51單片機12個時鐘周期組成一個機器周期，而對C8051F系列單片機而言，一個時鐘周期就是一個機器周期，24.5MIPS是該系列產品的基本指標。
本方案選擇C8051F530單片機作為主控芯片，作為一款汽車級單片機，它具有四個顯著特點：集成有一個LIN2.1總線控制器；1.8～5.25 V的寬電壓供電，內置一個低壓差線性穩壓器LDO；精度可達±0.5%的內部晶振；溫度范圍可達-40～+125 ℃。片上看門狗定時器、電源監視器、電壓比較器、溫度傳感器，片內JTAG調試和邊界掃描系統等。
圖2所示為基于C8051F530單片機的電動汽車電池檢測器原理圖，穩壓電路給單片機及其外圍電路提供電源，輸入即為電池的12 V端電壓，VR1采用輸出3.3 V的線性穩壓器。電壓測量電路采用電阻R3和R4的簡單分壓電路，將12 V電壓按1/4的比例分壓，得到的低壓信號送入單片機的ADC輸入端進行模數轉換，地址編碼電路由5位二進制選擇開關ADR1組成。電平轉換電路U2采用MAX485芯片組成485串行通信電路，其作用是將經過光電耦合器U3和U4隔離的TTL電平，轉換成484總線電平，MAX485的電源由上位機供電。電源檢測電路用一個簡單的取樣電阻R13和光電耦合器U4組成，當上位機供電時，光電耦合器U4的輸入端導通，使輸出端產生的低電平輸出給單片機。
低功耗單片機U1是檢測器的主要控制芯片，在AD轉換中斷程序中，單片機U1完成對電池電壓和電池溫度的采樣處理，進行求平均值運算。在響應上位計算機發來的串行通信中斷服務程序中，把收到的地址數據與自己的地址編碼進行比較，如果相等，則把通過AD轉換測量得來的電池電壓和電池溫度發回給上位單片機，反之如果不相等，則不理會上位計算機的請求，繼續進行檢測電池電壓和電池溫度的工作。當上位計算機的電源關斷以后，單片機記錄當前的參數，為了節省電池電量，進入微功耗省電方式，直到上位計算機的電源重新打開，單片機又重新進入正常的工作狀態。
3 電池檢測器的軟件設計
電動汽車電池檢測器的軟件模塊主要有溫度采集模塊、電壓采集模塊和串行通信等模塊。電壓的采集比較簡單，就是一個模數轉換程序，在ADC的中斷服務程序中完成。通信程序采用UART中斷程序，一般情況下由上位機采用巡回檢測的方式，主動下發各個電池檢測器的地址碼，地址碼識別成功的電池檢測器，將其應答數據上傳給上位計算機，在某個檢測器有異常情況時，檢測器也可以主動向上位計算機發送報警數據。
為了簡便起見，溫度的求取沒有采用公式計算法，而采用了阻值查表的方法。根據電路連接關系和歐姆定理，存在如下公式：
（1）
式中：為熱敏電阻阻值；為熱敏電阻分壓；為精密電阻；為單片機電源電壓。
由公式（1）可求出熱敏電阻的阻值，再通過對熱敏電阻的溫度—阻值查表，即可得到溫度值。
4 結語
基于SOC混合信號單片機C8051F530的電動汽車電池檢測器，是一種智能型電池檢測器，不管電池組處于充電狀態還是放電狀態，各個單體電池的檢測器都能互相隔離，安全工作，解決了單體電池電壓和溫度的實時精確采集問題，能與上位機算計通過標準串行接口交換信息。該檢測器具有電路簡單，成本低，體積小，可以方便地附加在電池的外殼上，電池編號容易，便于推廣應用和批量生產等特點。
參考文獻
[1] C8051F530 Data Sheet[Z].Silicon Labs.USA.2006.
[2] 路石超，路建統，王鎖弘.一種智能型電動汽車電池檢測器.中國，2011101104540[P].
[3] 包海濤.嵌入式SOC系統開發與工程實例[M].北京：航空航天大學出版社，2009.endprint
摘 要：從電動汽車電池管理系統的結構分析入手，提出了一種采用485通信總線的電池信息采集模塊，詳細介紹了基于C8051F530單片機的電池檢測器的硬件原理圖和主要軟件功能，推導出了溫度計算公式。
關鍵詞：電池管理系統 溫度檢測 光電隔離 C8051F530
中圖分類號：TM930 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0098-02
電動汽車的動力電源通常是由多個電池串聯組成的直流高壓電源，多個單體電池串聯以后，要實現電壓的測量以及與上位機的通信，既要解決各個測量電路之間的隔離問題，也要考慮測量模塊的長期在線工作對電池電量的消耗。
1 電動汽車電池管理系統的結構
電動汽車電池管理系統的結構如圖1所示，整個系統包括一個上位監控器，若干個下位檢測模塊和電池組等。上位監控器一般由單片機、電流檢測電路、液晶顯示器，485電平轉換器以及CAN總線接口等組成，通過485通訊總線與下位電池檢測模塊相連，通過CAN總線和充電器、變頻器以及整機控制器來交換信息。圖中串行通信采用485總線，下掛N個智能型電動汽車電池檢測器，組成分布式電池管理系統，上位計算機只有4根連線和下位檢測器連接，分別是：電源+5 V，電源地GND，A，B。
2 基于單片機C8051F530的電池檢測器
汽車單片機是符合AEC-Q100規范并具有在高達125 ℃高溫下運行的汽車級產品。在Silicon Labs推出的混合信號SOC單片機中，C8051F5xx是工業和汽車級的單片機[1]。C8051F系列單片機和傳統的51系列單片機只是指令兼容，128字節的基本存儲器結構一樣，其他方面，特別是內核結構并不一樣，其性能遠超普通8051系列單片機。傳統的51單片機12個時鐘周期組成一個機器周期，而對C8051F系列單片機而言，一個時鐘周期就是一個機器周期，24.5MIPS是該系列產品的基本指標。
本方案選擇C8051F530單片機作為主控芯片，作為一款汽車級單片機，它具有四個顯著特點：集成有一個LIN2.1總線控制器；1.8～5.25 V的寬電壓供電，內置一個低壓差線性穩壓器LDO；精度可達±0.5%的內部晶振；溫度范圍可達-40～+125 ℃。片上看門狗定時器、電源監視器、電壓比較器、溫度傳感器，片內JTAG調試和邊界掃描系統等。
圖2所示為基于C8051F530單片機的電動汽車電池檢測器原理圖，穩壓電路給單片機及其外圍電路提供電源，輸入即為電池的12 V端電壓，VR1采用輸出3.3 V的線性穩壓器。電壓測量電路采用電阻R3和R4的簡單分壓電路，將12 V電壓按1/4的比例分壓，得到的低壓信號送入單片機的ADC輸入端進行模數轉換，地址編碼電路由5位二進制選擇開關ADR1組成。電平轉換電路U2采用MAX485芯片組成485串行通信電路，其作用是將經過光電耦合器U3和U4隔離的TTL電平，轉換成484總線電平，MAX485的電源由上位機供電。電源檢測電路用一個簡單的取樣電阻R13和光電耦合器U4組成，當上位機供電時，光電耦合器U4的輸入端導通，使輸出端產生的低電平輸出給單片機。
低功耗單片機U1是檢測器的主要控制芯片，在AD轉換中斷程序中，單片機U1完成對電池電壓和電池溫度的采樣處理，進行求平均值運算。在響應上位計算機發來的串行通信中斷服務程序中，把收到的地址數據與自己的地址編碼進行比較，如果相等，則把通過AD轉換測量得來的電池電壓和電池溫度發回給上位單片機，反之如果不相等，則不理會上位計算機的請求，繼續進行檢測電池電壓和電池溫度的工作。當上位計算機的電源關斷以后，單片機記錄當前的參數，為了節省電池電量，進入微功耗省電方式，直到上位計算機的電源重新打開，單片機又重新進入正常的工作狀態。
3 電池檢測器的軟件設計
電動汽車電池檢測器的軟件模塊主要有溫度采集模塊、電壓采集模塊和串行通信等模塊。電壓的采集比較簡單，就是一個模數轉換程序，在ADC的中斷服務程序中完成。通信程序采用UART中斷程序，一般情況下由上位機采用巡回檢測的方式，主動下發各個電池檢測器的地址碼，地址碼識別成功的電池檢測器，將其應答數據上傳給上位計算機，在某個檢測器有異常情況時，檢測器也可以主動向上位計算機發送報警數據。
為了簡便起見，溫度的求取沒有采用公式計算法，而采用了阻值查表的方法。根據電路連接關系和歐姆定理，存在如下公式：
（1）
式中：為熱敏電阻阻值；為熱敏電阻分壓；為精密電阻；為單片機電源電壓。
由公式（1）可求出熱敏電阻的阻值，再通過對熱敏電阻的溫度—阻值查表，即可得到溫度值。
4 結語
基于SOC混合信號單片機C8051F530的電動汽車電池檢測器，是一種智能型電池檢測器，不管電池組處于充電狀態還是放電狀態，各個單體電池的檢測器都能互相隔離，安全工作，解決了單體電池電壓和溫度的實時精確采集問題，能與上位機算計通過標準串行接口交換信息。該檢測器具有電路簡單，成本低，體積小，可以方便地附加在電池的外殼上，電池編號容易，便于推廣應用和批量生產等特點。
參考文獻
[1] C8051F530 Data Sheet[Z].Silicon Labs.USA.2006.
[2] 路石超，路建統，王鎖弘.一種智能型電動汽車電池檢測器.中國，2011101104540[P].
[3] 包海濤.嵌入式SOC系統開發與工程實例[M].北京：航空航天大學出版社，2009.endprint
