面向電池管理系統(tǒng)的FM30C256應(yīng)用設(shè)計(jì)

余仕俠,段佳委,王旭

(1.安徽江淮汽車(chē)股份有限公司,安徽合肥 230022；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心,天津 300300)

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面向電池管理系統(tǒng)的FM30C256應(yīng)用設(shè)計(jì)

余仕俠1,段佳委1,王旭2

(1.安徽江淮汽車(chē)股份有限公司,安徽合肥 230022；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心,天津 300300)

摘要：鐵電存儲(chǔ)器FM30C256的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等功能增強(qiáng)了電池管理系統(tǒng)的可靠性。完成了FM30C256在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)中，完成了FM30C256外圍電路的設(shè)計(jì)，主控芯片選用MC9S12DG128；在軟件設(shè)計(jì)中，完成了數(shù)據(jù)存取和讀取程序設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘配置和讀取程序設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng)；鐵電存儲(chǔ)器；應(yīng)用設(shè)計(jì)

0引言

電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)是電動(dòng)汽車(chē)中保護(hù)電池安全工作的核心設(shè)備，其主要功能包括電池?cái)?shù)據(jù)采集、故障診斷、剩余電量(State of Charge，SOC)估算等。在SOC估算功能中，開(kāi)始SOC估算之前，需要將上一次估算得到的SOC值作為此次SOC估算的初值，為了保證在系統(tǒng)上電或重啟后，依然能夠獲取上一次估算的初值，BMS需要實(shí)時(shí)地將SOC的值存儲(chǔ)起來(lái)，并且保證數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電后不丟失[1]。同時(shí)，BMS運(yùn)行在復(fù)雜的汽車(chē)環(huán)境中，可能會(huì)出現(xiàn)工作異常的情況，為了能夠在電動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)故障后容易找到故障的時(shí)間和原因等信息，BMS需要將電池的工作狀態(tài)信息存儲(chǔ)起來(lái)，并且在對(duì)電動(dòng)汽車(chē)檢修時(shí)，讀取最后一次存儲(chǔ)的電池工作狀態(tài)信息，通過(guò)分析這些信息找出故障原因。與SOC的存儲(chǔ)形式一樣，電池工作狀態(tài)信息的存儲(chǔ)也必須保證在系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)不丟失，同時(shí)由于電池信息量較大，因此存儲(chǔ)設(shè)備還需足夠的存儲(chǔ)容量[2]。文中選用鐵電存儲(chǔ)器FM30C256作為系統(tǒng)外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

1硬件電路設(shè)計(jì)

1.1FM30C256簡(jiǎn)介

FM30C256是256 kb的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，包括非易失性?xún)?nèi)存、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、CPU監(jiān)控和系統(tǒng)篡改檢測(cè)等功能。非易失性RAM是基于FRAM(Ferromagnetic Random Access Memory，鐵電存儲(chǔ))技術(shù)，并且掉電后數(shù)據(jù)可以保存10年不丟失，相對(duì)于電池后備方式，它是真正的非易失性存儲(chǔ)器。同時(shí)FRAM在寫(xiě)操作時(shí)具有無(wú)延遲的總線速率，并且擦寫(xiě)次數(shù)超過(guò)10億次。實(shí)時(shí)時(shí)鐘以BCD碼的形式提供時(shí)間及日期信息。

1.2FM30C256硬件設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)模塊的原理圖如圖1所示。

FM30C256使用內(nèi)置集成電路總線(Inter-Integrated Circuit，IIC)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，A0、A1和A2是器件的地址選擇引腳，文中將A2～A0這3個(gè)引腳接地[3]。RSM2008是32.768 kHz的晶振，為存儲(chǔ)器內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊提供振蕩頻率。為了保證FM30C256在系統(tǒng)斷電后內(nèi)部時(shí)鐘模塊也能夠精確計(jì)時(shí)，還需為VBAK端提供預(yù)備電源。預(yù)備電源通常采用紐扣電池和超級(jí)電容2種方案，由于超級(jí)電容是可充電的電源，使用方便且無(wú)須更換，因此文中選用超級(jí)電容作為FM30C256的預(yù)備電源。C3是5.5 V/1 F的超級(jí)電容，R6和R7為分壓電阻，阻值分別選擇為270 Ω和470 Ω。D1為反向電流極小的二極管，防止超級(jí)電容漏電。

文中的主控芯片選用Freescale半導(dǎo)體公司的微控制器MC9S12DG128。

2程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1IIC總線協(xié)議簡(jiǎn)介

IIC總線是Philips公司設(shè)計(jì)的一款高效的兩線制串行數(shù)據(jù)總線，全稱(chēng)為芯片間總線，其總線標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率為100 kb/s，最高可以達(dá)到400 kb/s，且具有規(guī)范完整、結(jié)構(gòu)獨(dú)立、使用簡(jiǎn)單和支持多主控等特點(diǎn)。在同一個(gè)IIC總線上有多個(gè)主機(jī)設(shè)備時(shí)，為了避免多個(gè)主機(jī)設(shè)備試圖同時(shí)啟動(dòng)IIC總線傳送數(shù)據(jù)而造成混亂，IIC總線的總線仲裁功能可以決定在某一時(shí)刻由哪個(gè)主機(jī)控制總線。其中開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)是IIC總線協(xié)議中最重要的部分。

(1)開(kāi)始信號(hào)。在時(shí)鐘信號(hào)(SCL)保持高電平的過(guò)程中，數(shù)據(jù)信號(hào)(SDA)由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑硎鹃_(kāi)啟IIC總線，開(kāi)始數(shù)據(jù)的傳輸。

(2)結(jié)束信號(hào)。在時(shí)鐘信號(hào)(SCL)保持高電平的過(guò)程

中，數(shù)據(jù)信號(hào)(SDA)由低電平改變?yōu)楦唠娖剑硎窘Y(jié)束IIC總線，終止數(shù)據(jù)的傳輸。

(3)應(yīng)答信號(hào)。從機(jī)設(shè)備在收到8位數(shù)據(jù)后的1個(gè)時(shí)鐘周期里，會(huì)發(fā)出低電平作為應(yīng)答信號(hào)，表示數(shù)據(jù)已接收到。IIC時(shí)序圖如圖2所示。

2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取程序設(shè)計(jì)

FM30C256的存儲(chǔ)模塊在一個(gè)存儲(chǔ)周期內(nèi)可以存儲(chǔ)單個(gè)字節(jié)也可以存儲(chǔ)多個(gè)字節(jié)。其內(nèi)存地址由FM30C256內(nèi)部鎖存器鎖存，當(dāng)前的內(nèi)存地址就是鎖存器中鎖存的地址，直到下一次的地址新值被寫(xiě)入之前，當(dāng)前地址值會(huì)一直保留[4]。每次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后，鎖存器中的地址值會(huì)自動(dòng)遞增，這樣就允許連續(xù)存儲(chǔ)或讀取數(shù)據(jù)而無(wú)須重新尋址。單字節(jié)存儲(chǔ)和多字節(jié)存儲(chǔ)時(shí)序分別如圖3和圖4所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)序圖，可以完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的程序設(shè)計(jì)，其程序流程如圖5所示。

從圖5可以看出：MCU首先在IIC總線空閑時(shí)發(fā)起開(kāi)始信號(hào)，然后向FM30C256發(fā)送從機(jī)地址，前7位1010000B為存儲(chǔ)模塊的地址，最后一位為0，表示寫(xiě)入數(shù)據(jù)[5]；然后發(fā)送數(shù)據(jù)存放的內(nèi)存起始地址，選定內(nèi)存地址后即可發(fā)送待存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)；在每傳送完成一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后，F(xiàn)M30C256都會(huì)向主機(jī)MCU發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，完成所有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，主機(jī)MCU發(fā)送結(jié)束信號(hào)。

在讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)時(shí)，由用戶(hù)指定讀取內(nèi)存的地址寫(xiě)入地址鎖存器中，來(lái)讀取指定存儲(chǔ)中存儲(chǔ)的值[6]。與多字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類(lèi)似，F(xiàn)M30C256也支持多字節(jié)的數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)讀取時(shí)序如圖6所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)讀取的時(shí)序圖，可以完成數(shù)據(jù)讀取的程序設(shè)計(jì)，其程序流程圖如圖7所示。

從圖7中可以看出：數(shù)據(jù)讀取過(guò)程是先發(fā)送從機(jī)地址，從機(jī)地址最后1位為0，表示寫(xiě)入數(shù)據(jù)，然后發(fā)送需要讀取數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址，收到FM30C256的應(yīng)答信號(hào)后重啟IIC總線，再發(fā)送1次從機(jī)地址，從機(jī)地址最后1位為1，表示讀數(shù)據(jù)，隨后讀取到的數(shù)據(jù)即為存儲(chǔ)在該內(nèi)存地址中的數(shù)據(jù)。

從圖7中可以看出：主機(jī)MCU首先在IIC總線空閑時(shí)發(fā)起開(kāi)始信號(hào)，然后向FM30C256發(fā)送從機(jī)地址，前7位1101000B為時(shí)鐘模塊的地址，最后1位為0，表示寫(xiě)入數(shù)據(jù)；然后發(fā)送待讀取的時(shí)鐘模塊內(nèi)寄存器地址，然后重啟IIC總線，再發(fā)送1次從機(jī)地址，從機(jī)地址最后1位為1，表示讀數(shù)據(jù)，隨后讀取到的數(shù)據(jù)即為時(shí)鐘模塊內(nèi)寄存器的時(shí)鐘信息[7]。

3結(jié)論

文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FM30C256的電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。首先完成了其硬件電路設(shè)計(jì)，主控芯片選用Freescale系列的MC9S12DG128；然后在IIC協(xié)議的基礎(chǔ)上完成了FM30C256的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取和實(shí)時(shí)時(shí)鐘配置與讀取的程序設(shè)計(jì)。

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【7】趙培宇,李其華.FRAM鐵電存儲(chǔ)器的應(yīng)用[J].江漢大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版,2004,32(3):51-54.

Design of FM30C256 Application Based on Battery Management System

YU Shixia1, DUAN Jiawei1， WANG Xu2

(1.JAC Automobile Co., Ltd., Hefei Anhui 230022,China;2.China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300,China)

Keywords:Battery management system; Ferromagnetic random access memory; Application design

Abstract:The functions of nonvolatile data storage and real-time clock in ferromagnetic random access memory FM30C256, enhance the reliability of the battery management system. The design of FM30C256’s application in the battery management system was finished, including hardware design and software design. In the hardware design, the FM30C256 peripheral circuit design was completed, main control chip is chosen MC9S12DG128. In software design, the program designs of the data storage and reading, the real-time clock configuration and reading were completed.

收稿日期：2016-01-21

作者簡(jiǎn)介：余仕俠(1981—)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)槠?chē)總布置研究及整車(chē)動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)。E-mail：jacysx@jac.com.cn。

中圖分類(lèi)號(hào):U461.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)04-021-04