基于51單片機的能源管理系統(tǒng)智能單元的設(shè)計

李見敏，史更新，許 薇

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

基于51單片機的能源管理系統(tǒng)智能單元的設(shè)計

李見敏，史更新，許 薇

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

臨近空間作為不可忽視的資源，其重要的開發(fā)應(yīng)用價值在國際上引起廣泛關(guān)注。能源供給系統(tǒng)是臨近空間飛行器的重要組成分部分。建立智能電源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對電源系統(tǒng)狀態(tài)的在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)的實時處理以及能量的有效分配，顯得尤為重要。設(shè)計了一種基于單片機80C32E的智能電源管理系統(tǒng)，著重介紹了和臨近空間環(huán)境特點相關(guān)的硬件電路設(shè)計和軟件架構(gòu)。該系統(tǒng)完成對電源系統(tǒng)重要參數(shù)的采集和數(shù)據(jù)的實時分析、上傳，以及蓄電池組的充放電控制等功能。考慮到臨近空間飛行器的空間環(huán)境對電源系統(tǒng)高可靠度的要求，采用雙機冷備份的方式，從而確保了飛行器的能源供給。

臨近空間；80C32E單片機；能源管理系統(tǒng)；能源供給

目前，臨近空間的重要開發(fā)應(yīng)用價值在國際上引起了廣泛關(guān)注。臨近空間飛行器在近空間作長期、持續(xù)飛行，或在亞軌道飛行，或進(jìn)行高聲速巡航，具有航空、航天飛行器所不具備的作用，特別是在通信保障、情報收集、電子壓制、預(yù)警等方面極具發(fā)展?jié)摿1]。

世界各國提出了多種臨近空間飛行器發(fā)展方案，研究的熱點集中在平流層飛艇、浮空氣球和高空長航時無人機上。其中，平流層飛艇是地球同步衛(wèi)星之外另一種重要的定點平臺。能源供給系統(tǒng)是飛艇的重要組成系統(tǒng)。本文針對臨近空間環(huán)境特點，為平流層飛艇的電源系統(tǒng)設(shè)計了一種智能管理單元(也可簡稱為下位機)。該單元將采集到的系統(tǒng)參數(shù)上傳至艇務(wù)計算機，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測，并且接收艇務(wù)計算機發(fā)送的直接和間接遙控指令，完成對電源系統(tǒng)中功率開關(guān)的控制。

1 系統(tǒng)工作原理

智能管理單元采用以80C32E單片機為核心的微處理器系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙機冷備份的方式，以保證系統(tǒng)工作的可靠性。

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由復(fù)位電路、時鐘電路、地址譯碼電路、遙測參數(shù)采集電路和指令輸出電路組成。

圖1 智能管理單元(單機)工作原理框圖

圖1體現(xiàn)了CPU的最小系統(tǒng)的架構(gòu)方式，外設(shè)和存儲器采用部分地址譯碼方式訪問，外部存儲器工作在復(fù)用方式，即數(shù)據(jù)總線和地址總線的低8位共享相同的端口引腳。該系統(tǒng)主要通過監(jiān)測系統(tǒng)重要參數(shù)，如蓄電池單體電壓和總電壓、母線電壓、充放電電流等，完成對蓄電池組的充放電管理，從而保證了飛行器在臨近空間環(huán)境的能量有效分配和供給。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 雙機冷備份設(shè)計

考慮到電源系統(tǒng)在臨近空間飛行器中的重要性，智能管理單元采用雙機冷備份的設(shè)計。系統(tǒng)上電時，默認(rèn)A機工作；如果主機工作異常，艇務(wù)計算機發(fā)送直接指令“B加A斷”，此時，B機工作，系統(tǒng)繼續(xù)正常運行。

在冷備份方式下，同一時刻只有一個下位機工作。通過艇務(wù)計算機發(fā)出的直接指令切換下位機電源實現(xiàn)該設(shè)計思路。圖2為直接指令接口示意圖。該電路中，當(dāng)“A加B斷”指令有效，繼電器線圈帶電，觸點向著帶電線圈的方向吸合，A機電源有效，B機無效。此時，下位機A機工作。

圖2 直接指令接口示意圖

雙機冷備份的設(shè)計方式提高了電源系統(tǒng)的可靠性。

2.2 復(fù)位電路設(shè)計

看門狗復(fù)位和RC上電復(fù)位共同組成了下位機的復(fù)位系統(tǒng)。圖3所示為單片機復(fù)位電路。

圖3 單片機復(fù)位電路

單片機在開機時都需要復(fù)位，以便中央處理器CPU和其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。MCS-51單片機的RST引腳是復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號是高電平有效，持續(xù)時間要在24個時鐘周期以上。RC值的選取決定了上電復(fù)位時間。

看門狗復(fù)位是為避免軟件陷阱，防止程序跑飛導(dǎo)致下位機工作異常。以硬件看門狗芯片MAX813為核心構(gòu)成的復(fù)位系統(tǒng)。利用單片機的P1口信號作為看門狗芯片WDI的輸入端。如果看門狗輸入在1.6 s內(nèi)無變化，就會產(chǎn)生看門狗輸出。

RC復(fù)位和看門狗復(fù)位任何一個有效都會觸發(fā)單片機的復(fù)位引腳。

2.3 狀態(tài)監(jiān)測電路設(shè)計

下位機采集到的系統(tǒng)參數(shù)有模擬量和數(shù)字量兩種。功率管的狀態(tài)(接通為“1”，高電平；斷開為“0”，低電平)作為數(shù)字量，可以直接用總線驅(qū)動器74HC245讀取。圖4所示為狀態(tài)監(jiān)測電路。

圖4 狀態(tài)監(jiān)測電路

需要注意的是，雙機冷備份的系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)量采集涉及到阻抗分配的問題。當(dāng)主備機的狀態(tài)檢測電路的兩個輸入端共點時，相當(dāng)于一個狀態(tài)信號從一個物理線連接到兩個檢測電路輸入端，使用漏極開路方式可以防止不同器件之間的爭用。此時，需要把未工作的下位機的總線驅(qū)動器的輸出使能禁止，才可以使?fàn)顟B(tài)量無失真地被采集到；否則，0～5 V信號幅度被減半，系統(tǒng)的狀態(tài)量信息就不能被準(zhǔn)確地反映。

2.4 脈沖控制電路設(shè)計

對于雙機冷備份下位機系統(tǒng)的脈沖控制電路而言，主備機的脈沖輸出端口可以連接到同一個物理線。圖5為脈沖輸出電路原理圖。該部分電路的設(shè)計思路是：先輸出電平信號，再把電平信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號。

圖5 脈沖輸出電路

如圖5所示，74HC374的片選使能后，數(shù)據(jù)線D0A～D7A的數(shù)據(jù)信號被鎖存至其輸出端，信號經(jīng)過反向、RC電路，最后被施密特觸發(fā)器整形后，作為最終的脈沖信號輸出至后端功率電路。其中，RC電路的作用是高通濾波，經(jīng)過RC濾波后的信號變?yōu)橐粋€負(fù)尖峰；施密特觸發(fā)器的作用是脈沖整形、反向。

需要特別注意的是，下位機軟件的啟動時間晚于下位機硬件的上電時間。那么，在硬件上電后軟件啟動前的這段時間內(nèi)，下位機的控制電路應(yīng)該是被禁止的。具體說就是，所有控制電路的鎖存器、觸發(fā)器的輸出使能端OE引腳應(yīng)該是高電平。當(dāng)系統(tǒng)上電后(系統(tǒng)的硬件上電時間與復(fù)位RC時間常數(shù)有關(guān))，OE引腳變?yōu)榈碗娖剑敵鍪鼓苡行А?/p>

圖5中OE引腳的信號是“IO_RSTA”，該信號是單片機復(fù)位信號(圖3中位“RSTA”)經(jīng)過兩個施密特觸發(fā)器的延時得到的。兩個施密特觸發(fā)器的延時時間增加了系統(tǒng)的可靠性。

2.5 電平控制電路設(shè)計

對于雙機冷備份下位機系統(tǒng)的電平控制電路而言，涉及到多個器件引腳有共享連接的問題，即多個輸出連接到同一個物理線。

如圖6所示，74HC573的片選使能后，數(shù)據(jù)線D0A～D7A的數(shù)據(jù)信號被鎖存至其輸出端。鎖存器的OE引腳的時序與上電復(fù)位信號的關(guān)系在2.4小節(jié)已闡述。

圖6 電平輸出電路

如果主備機的電平控制信號連接到同一個物理線，會引起不同器件之間的爭用。具體來講，如果下位機A機的一條指令輸出端口為高電平，而B機此時不工作(B機所有芯片的供電電源接地)，但是B機的電平控制電路的鎖存器輸出端被強制拉高，這種情況在電路設(shè)計中是不允許的。

為了解決上述問題，需要增加接口電路設(shè)計。圖7為電平控制電路設(shè)計示意圖。為防止不同器件之間的爭用，下位機最終的電平指令輸出信號是由主備機的鎖存器輸出信號的邏輯或運算之后得到的。也就是說，下位機電平指令的發(fā)出需要經(jīng)過二級鎖存。主機或備機的電平輸出電路與后端的或門和鎖存器構(gòu)成下位機的電平控制電路。由圖7可以看出，主備機的電平指令互不影響。

OCTA是一種非侵入性的快速成像技術(shù)，可獲取較清晰的視盤及黃斑區(qū)分層視網(wǎng)膜血流成像，并能量化分析視盤和黃斑的血流情況，已廣泛應(yīng)用于視神經(jīng)疾病、視網(wǎng)膜疾病的診治及病情監(jiān)測[8]。NAION患者急性期視盤水腫，pRNFL增厚，6～12周后逐漸萎縮、變薄[2]，因此本研究納入病程＞3個月的NAION患者，且患者的年齡、性別、SE、眼壓與正常對照組均無明顯差異，排除了年齡、性別、近視、眼壓變化及視盤水腫對視盤和視網(wǎng)膜血流檢測的影響。

圖7 電平控制電路設(shè)計示意圖

3 軟件設(shè)計

3.1 基本設(shè)計概念

軟件采用中斷驅(qū)動加順序編程的控制流程。軟件為單任務(wù)運行模式，軟件不采用操作系統(tǒng)[2]。電源控制器上電后機軟件首先執(zhí)行部分初始化功能，然后進(jìn)入主循環(huán)，周期性的進(jìn)行模擬量的采集、狀態(tài)量的讀取、自主控制管理、電源控制器以及遙測的組幀發(fā)送等操作；智能管理單元還需要通過RS422串口總線控制器接收通過串口發(fā)送過來的各種指令，經(jīng)解析后進(jìn)行響應(yīng)動作的執(zhí)行。

3.2 功能模塊分解

根據(jù)功能需求以及模塊化的分解原則，結(jié)合軟件的處理流程，將軟件劃分為以下主要模塊：

系統(tǒng)初始化模塊：SYS_INIT

循環(huán)執(zhí)行模塊：MAIN_LOOP

時鐘中斷響應(yīng)模塊：TIMER_INTP

遙測數(shù)據(jù)采集模塊：RS_COL

遙測數(shù)據(jù)組幀模塊：FRM_BLD

充電自控管理模塊：CHAR_SELF_MNG

過放自控管理模塊：DISCHAR_SELF_MNG

指令解析執(zhí)行模塊：CMD_PROC

指令執(zhí)行模塊：SW_EXCT

自動接通充電開關(guān)模塊：CHAR_SW_AUTOON

各模塊的調(diào)用關(guān)系如圖8所示。

圖8 模塊調(diào)用關(guān)系結(jié)構(gòu)

3.3 軟件運行控制

當(dāng)下位機加電或者重啟時，首先執(zhí)行初始化模塊。

初始化模塊執(zhí)行完成之后，進(jìn)入到循環(huán)執(zhí)行模塊。循環(huán)執(zhí)行模塊按照一定順序和要求依次重置WDT、調(diào)用遙測數(shù)據(jù)采集模塊、遙測數(shù)據(jù)組幀模塊、充電自控管理模塊、過放自控管理模塊和指令解析模塊，同時還要執(zhí)行放電開關(guān)初始化模塊。

在循環(huán)執(zhí)行過程中，當(dāng)有串口中斷發(fā)生時，下位機將掛起當(dāng)前正在運行的模塊，轉(zhuǎn)而執(zhí)行串口中斷響應(yīng)模塊。

在循環(huán)執(zhí)行過程中，當(dāng)有時鐘中斷發(fā)生時，下位機將掛起當(dāng)前正在運行的模塊，轉(zhuǎn)而執(zhí)行時鐘中斷響應(yīng)模塊。時鐘中斷響應(yīng)模塊執(zhí)行對應(yīng)的計數(shù)功能[3]。

中斷返回后，循環(huán)執(zhí)行模塊將恢復(fù)先前掛起的任務(wù)模塊，繼續(xù)執(zhí)行。

軟件的控制流和數(shù)據(jù)流如圖9所示。

4 結(jié)論

隨著信息和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，臨近空間飛行器將朝著自動化方向發(fā)展[4]。電源系統(tǒng)作為飛艇的關(guān)鍵組成部分，電源下位機的可靠性設(shè)計尤為重要。本文設(shè)計的系統(tǒng)能滿足設(shè)計要求，在小型化和智能化方面還有完善的空間。電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及抗輻照等級高、滿足軍溫條件的智能化芯片的問世，將進(jìn)一步提高電源系統(tǒng)的性能。臨近空間飛行器在軍事上的廣泛應(yīng)用將指日可待。

圖9 數(shù)據(jù)流和控制流

[1]孫德全，黃才勇.空間鋰離子蓄電池的特點及其管理模式[J].電源技術(shù)，2005(10)：1609-1613.

[2]羅霄.基于VxWorks平臺的衛(wèi)星電源分系統(tǒng)下位機軟件的研究與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2009：16-36.

[3]葉衛(wèi)東，孫芳方，錢銳.衛(wèi)星電源數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代制造工程，2011(9)：33-35.

[4]王平，孫寧，李華旺，等.小衛(wèi)星星載容錯計算機控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計[J].宇航學(xué)報，2006(3)：42-46.

Design of intelligent unit in power manage system based on 51 single-chip microcomputer

LI Jian-min,SHI Geng-xin,XU Wei
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

As the crucial resource,the important value of near space in exploitation and application brings extensive attention internationally. Power supply system is an important part of aircraft in near space. Accordingly, it is important to establish intelligent power manage system,implement on-line inspecting status of power system and real-time transacting of data. A kind of intelligent power manage system based on single-chip microcomputer 80C32E was designed,and the design of hardware and software in near space environment was introduced.The system could complete collection of the main parameters and real-time analyzing and uploading of data in power system as well as the charging and discharging control.Considering the environment of near space aircraft is strict with power system in reliability,the method of double machine cooling in asynchronous time was adopted to ensure the power supply of aircraft.

near space;80C32E single-chip microcomputer;power manage system;power supply

TM 76

A

1002-087 X(2015)08-1733-03

2015-01-08

李見敏(1985—)，女，天津市人，碩士，工程師，主要研究方向為電源系統(tǒng)下位機。