新型電動(dòng)汽車(chē)鋰電池管理系統的研究與實(shí)現----系統的總體設計(二)

3.4單總線(xiàn)系統簡(jiǎn)介及溫度測量方法

3.4.1概述

美國Dallas公司近年來(lái)推出了單總線(xiàn)技術(shù)及相應的集成芯片，它的一系列電池管理芯片能方便地組成分布式管理系統，極大地減輕了系統布線(xiàn)，從而提高系統可靠性和抗干擾性，滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)多點(diǎn)測量的要求。

單總線(xiàn)技術(shù)是只有一個(gè)總線(xiàn)命令者和一個(gè)或多個(gè)從器件組成的計算機應用系統，總線(xiàn)命令者通常是PC機或單片機，系統由硬件配置、處理次序和單總線(xiàn)信號三部分組成。系統按照單總線(xiàn)協(xié)議規定的時(shí)序和信號波形進(jìn)行初始化、識別器件和進(jìn)行數據交換。

單總線(xiàn)技術(shù)可用于環(huán)境狀態(tài)檢測系統、實(shí)時(shí)氣象檢測系統（自動(dòng)氣象站）、倉庫監控系統、樓宇監管系統、停車(chē)收費、考勤管理等。應用中主控計算機根據要求，既可以采用PC機也可以采用單片機。

3.4.2硬件配置

單總線(xiàn)系統定義了一根信號線(xiàn)，總線(xiàn)上的每個(gè)器件都能夠在合適的時(shí)間驅動(dòng)它，相當于把計算機的地址線(xiàn)、數據線(xiàn)、控制線(xiàn)合為一根信號線(xiàn)對外進(jìn)行數據交換。為了區分這些芯片，廠(chǎng)家在生產(chǎn)每個(gè)芯片時(shí)，都編制了唯一的序列號，通過(guò)尋址讀出序列號碼，就能把芯片識別出來(lái)。這樣就能使這些器件掛在一根信號線(xiàn)上進(jìn)行碼分多址、串行分時(shí)數據交換，組成一個(gè)自動(dòng)測控系統或自動(dòng)收費系統，甚至還可以用單總線(xiàn)組成一個(gè)微型局域網(wǎng)。

廠(chǎng)家對每個(gè)芯片用激光刻錄一個(gè)64位二進(jìn)制ROM代碼。從最低位開(kāi)始，前8位是族碼，表示產(chǎn)品的分類(lèi)編號；接著(zhù)的48位是一個(gè)唯一的序列號；最后8位是前56位的CRC校驗碼。CRC（Cyclic Redundancy Check）稱(chēng)為循環(huán)冗余碼檢測，是數據通信中校驗數據傳輸是否正確的一種方法。在使用時(shí)，總線(xiàn)命令者讀入ROM中64位二進(jìn)制碼后，將前56位按CRC多項式（這里是X⁸+X⁵+X⁴+1）計算出CRC值，然后同ROM中高8位的CRC值比較，若相同則表明數據傳輸正確，否則要求重傳。48位序列號是一個(gè)15位的十進(jìn)制編碼，這么長(cháng)的編碼完全可為每個(gè)芯片編制一個(gè)全世界唯一的號碼，也稱(chēng)為身份證號，可以被尋址識別出來(lái)。此外，芯片內還含有收發(fā)控制和電源存儲電路，其示意圖如圖3.5。

這些芯片采用CMOS技術(shù)，耗電量都很?。臻e時(shí)幾μW，工作時(shí)幾mW），故一般不用另附電源。單總線(xiàn)上通常處于高電位（5V左右），每個(gè)器件都能在需要時(shí)驅動(dòng)它。因此，掛在總線(xiàn)上的每個(gè)器件必需是漏極開(kāi)路或者是三態(tài)輸出的，這樣，不工作時(shí)不會(huì )給總線(xiàn)增加功耗。

單總線(xiàn)的數據傳輸有兩種模式，通常以16.3kb/s的速度通信，超速模式可達142kb/s.因此，只能用于對速度要求不高的場(chǎng)合，一般用于100kb/s以下速度的測控或數據交換系統中。

以上內容是單總線(xiàn)技術(shù)協(xié)議所要求的，各種芯片都具備這些基本內容，系統首先識別器件號，確認后才進(jìn)入某種具體芯片功能，如A/D轉換器、溫度計等。

單總線(xiàn)同單片機的最簡(jiǎn)單接口如圖3.6，

根據單總線(xiàn)器件手冊，單總線(xiàn)技術(shù)作用距離在單片機I/O直接驅動(dòng)下可達200m，經(jīng)擴展可達1000m以上，允許掛上百個(gè)器件，能滿(mǎn)足一般測控系統要求。

3.4.3處理時(shí)序

處理時(shí)序是軟件設計的任務(wù)。在單總線(xiàn)系統中，軟件設計是技術(shù)的關(guān)鍵，簡(jiǎn)潔的硬件配置是依靠復雜的軟件來(lái)支撐的。在PC機作為主控機時(shí)，單總線(xiàn)軟件設計基于Dallas公司授權的軟件開(kāi)發(fā)商提供的成套開(kāi)發(fā)工具，為軟件開(kāi)發(fā)應用帶來(lái)很大的便利。而用單片機作為主控機時(shí)，得由自己依據單總線(xiàn)協(xié)議，用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)全部軟件，給開(kāi)發(fā)應用增加了一定難度。

處理時(shí)序保證數據可靠的傳送，任何時(shí)刻單總線(xiàn)上只能有一個(gè)控制信號或數據。每次操作時(shí)，一般有以下四個(gè)過(guò)程：

①初始化；

②傳送ROM命令；

③傳送RAM命令；

④數據交換。

單總線(xiàn)上所有處理都從初始化開(kāi)始。初始化時(shí)序由總線(xiàn)命令者發(fā)出的復位脈沖和一個(gè)或多個(gè)從器件發(fā)出的應答脈沖組成。“應答脈沖”是從器件讓總線(xiàn)命令者知道該器件是在總線(xiàn)上，并已經(jīng)準備好接收命令開(kāi)始工作。

當總線(xiàn)命令者檢測到某器件的存在，就會(huì )發(fā)出傳送ROM功能命令，它用來(lái)選擇某個(gè)或一些從器件，同他們建立握手信號，以便同它進(jìn)行具體功能操作。單總線(xiàn)協(xié)議規定其層次結構如圖3.7.

單總線(xiàn)命令者首先必須發(fā)送7個(gè)ROM功能命令中的一個(gè)命令：

①讀ROM（總線(xiàn)上只有一個(gè)器件時(shí)，如讀DS2401的序列號）；

②匹配ROM（總線(xiàn)上有多個(gè)器件時(shí)，尋址某個(gè)器件）；

③查找ROM（系統首次啟動(dòng)后，須識別總線(xiàn)上各器件）；

④跳過(guò)ROM（總線(xiàn)上只有一個(gè)器件時(shí)，可跳過(guò)讀ROM命令直接向器件發(fā)送命令，以節省時(shí)間）；

⑤超速匹配ROM（超速模式下尋址某個(gè)器件）；

⑥超速跳過(guò)ROM（超速模式下跳過(guò)讀ROM命令）；

⑦條件查找ROM（只查找輸入電壓超過(guò)設置的報警門(mén)限值的某個(gè)器件）；這些操作在手冊中都有具體的命令碼供編程使用。

成功執行上述命令之一后，總線(xiàn)命令者可發(fā)送任何一個(gè)可使用的命令來(lái)訪(fǎng)問(wèn)存儲部分和實(shí)現控制功能，進(jìn)行數據交換。所有數據的讀寫(xiě)都是從最低位開(kāi)始的。

3.4.4單總線(xiàn)信號

單總線(xiàn)傳送數據或命令是由一系列的時(shí)序信號組成的，單總線(xiàn)上共有4種時(shí)序信號：1.初始化信號；2.寫(xiě)0信號；3.寫(xiě)1信號；4.讀信號。

各器件的應用手冊中對這4種波形參數（如脈沖上升時(shí)間、寬度和間隙等）都作了具體的要求，設計中應保證指令執行時(shí)間小于或等于時(shí)序信號中的最小時(shí)間。這里應該嚴格遵循時(shí)序關(guān)系，并注意當單片機工作頻率不同時(shí)，單片機的延時(shí)值是不同的。圖3.8給出了常規模式下這4種波形的示意圖。

3.4.5單總線(xiàn)器件

單總線(xiàn)系統中配置的各種器件是由Dallas等公司提供的專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現的。這里簡(jiǎn)單介紹我們使用的芯片。

1.數值溫度計DS18B20

該溫度計采用了與眾不同的原理，它利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關(guān)系，通過(guò)對振蕩周期的計數來(lái)實(shí)現溫度測量的。為了擴大測溫范圍和提高分辨率，使用了一個(gè)低溫系數振蕩器和一個(gè)高溫系數振蕩器分別進(jìn)行計數，并采用了非線(xiàn)性累加器等電路來(lái)改善線(xiàn)性，故DS18B20具有下列良好的特性，而且價(jià)格低廉。

①溫度測量范圍：－55～＋125℃；

②分辨率：±0.5℃（-10～＋85℃時(shí)）；

③溫度值輸出：9～12位可選擇的二進(jìn)制數值量；

④轉換時(shí)間：750ms（最大值）；

⑤用戶(hù)可設置報警溫度的上下限；

⑥不需外圍電路，電源可由單總線(xiàn)提供；

2. A/D轉換器

在單總線(xiàn)上直接掛上A/D轉換器，會(huì )使系統的檢測功能大大增強。各種物理量只要通過(guò)傳感器變?yōu)殡妷毫?，就可由A/D采集后經(jīng)單總線(xiàn)送到計算機進(jìn)行處理。Dallas公司推出的DS2450就是這樣的A/D轉換器，其主要特性為：

①4路模擬輸入通道，兩種模擬輸入量程0～2.56V和0～5.12V；

②未用做輸入的通道可作為輸出通道使用；

③逐次逼近的變換原理，可選擇的8位轉換精度；

④響應模擬電壓超門(mén)限報警設置；

3.4.6系統中用到的溫度測試方法

CPU的I/O口連接單總線(xiàn)器件，并通過(guò)一個(gè)上拉電阻連到+5V.需要注意的是單總線(xiàn)器件的布局應該是盡量簡(jiǎn)單，并保證匹配電阻出現在單總線(xiàn)拓撲結構的兩端。系統連接圖如圖3.9：

3.5總電流、總電壓測量



在以前系統中，總電流、總電壓測量電路如圖3.10，充電時(shí)電流傳感器在采樣電阻R1上的電壓為“＋”，經(jīng)過(guò)運放后，AD0為“－”，AD1為“＋”；放電時(shí)電流傳感器在采樣電阻R1上的電壓為“－”，AD0為“＋”，AD1為“－”。電壓傳感器在采樣電阻R6上的壓降AD2和AD0、AD1同時(shí)送往80C552的A/D口進(jìn)行A/D轉換，再經(jīng)過(guò)標度變換即可測得總電路、總電壓。程序中，通過(guò)AD0和AD1的值，就可判斷出電池是處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)。

80C552的A/D轉換是10位的，這對于電池的功率強度估計略顯不夠，并且需要調整A1、A2運放的工作點(diǎn)。在BMS-Ⅲ系統中，總電流、總電壓測量采用16位A/D轉換芯片AD976，下面是AD976的主要特性：

• 16位ADC；
• 100kSPS速率；
• 5V供電，±10V輸入電壓范圍；
• 低功耗：100mW；
• 內部2.5V或外部參考電壓選擇；
• 高速并行接口；
• 片內時(shí)鐘。

由于A(yíng)D976的輸入電壓范圍是±10V，總電流的測量不需要運放進(jìn)行正負電壓轉換，從而免去了調整運放工作點(diǎn)問(wèn)題，另外，AD976提供內部參考電壓，這給系統調試也帶來(lái)方便，下圖3.11是AD976測量總電壓、電流框圖：

3.6顯示系統

在系統中，顯示采用精電蓬遠公司生產(chǎn)的320×240點(diǎn)陣的液晶顯示模塊DMF-50174，液晶控制器是SED1335.DMF-50174分為兩個(gè)區，第一區對應ASCII字符顯示方式，即一個(gè)字符對應一個(gè)8×8的點(diǎn)陣，故整個(gè)第一區需要（320×240）/64=1200個(gè)字節，而第二區對應點(diǎn)陣顯示方式，在第二區中，一個(gè)字節對應8點(diǎn)陣，故第二區需要（320×240）/8=9600個(gè)字節，液晶屏的點(diǎn)陣是和顯示RAM一一對應的，DMF-50174一共需要10800個(gè)字節的顯示RAM.

液晶控制器SED1335由振蕩器、功能邏輯電路、顯示管理電路、字符庫及其管理電路以及產(chǎn)生驅動(dòng)時(shí)序的時(shí)序發(fā)生器組成，振蕩器工作頻率可在1M～10MHz范圍內選擇。SED1335能在很高的工作頻率下迅速地解譯MPU發(fā)來(lái)地指令代碼，將參數置入相應的寄存器內，并觸發(fā)相應的邏輯功能電路運行?？刂撇靠梢怨芾?4K顯示RAM ，管理內藏的字符發(fā)生器及外擴的字符發(fā)生器。

SED1335將64K顯示RAM可分為以下幾種顯示特區：

1.文本顯示特性

具有此特性的顯示RAM區專(zhuān)用于文本方式顯示，在該顯示RAM區中每個(gè)字節的數據都認為是字符代碼。SED1335將使用該字符代碼確定字符庫中字符首地址，然后將相應的字模數據傳送到液晶顯示模塊上。在液晶上出現該字符的8×8點(diǎn)陣塊。也就是文本顯示RAM的一個(gè)字節對應顯示屏上的8×8點(diǎn)陣。

2.圖形顯示方式

具有此特性的顯示RAM區專(zhuān)用于圖形方式顯示。在該顯示RAM區中每個(gè)字節的數據直接被送到液晶顯示模塊上，每個(gè)位的電平狀態(tài)決定顯示屏上一個(gè)點(diǎn)顯示狀態(tài)，“1”為顯示，“0”為不顯示。所以圖形顯示RAM的一個(gè)字節對應顯示屏上的8×1點(diǎn)陣。

SED1335中專(zhuān)有一組寄存器來(lái)管理這兩種特性的顯示區，SED1335可以單獨顯示一個(gè)顯示區，也可把兩個(gè)特性的顯示區通過(guò)某種邏輯關(guān)系合成顯示，這些顯示方式及特性的設置都是通過(guò)軟件指令設置實(shí)現的。

SED1335有13條指令，多數指令帶有參數，一共分為下面四類(lèi)指令：系統控制指令、顯示操作指令、繪制操作指令及存儲操作指令。圖3.12是80C552和SED1335的接口電路：

在顯示程序上，BMS－Ⅲ設計了以下幾個(gè)子程序供其他程序調用，所有的顯示畫(huà)面都是通過(guò)調用它們完成的。

initlcdreg1（）初始化液晶顯示區1；

initlcdreg2（）初始化液晶顯示區2；

dispascii（BYTE x，BYTE y，BYTE c）在第一區的（x，y）處顯示ASCII值為c的字符；

dispstr（BYTE x，BYTE y，BYTE len，BYTE *str）在第一區的（x，y）開(kāi)始處顯示長(cháng)度為len的ASCII字符串；

disphz（WORD x，WORD y，WORD c）在第二區的（x，y）處顯示16×16點(diǎn)陣的漢字；

disphzstr（WORD x，WORD y，BYTE len，BYTE *str）在第二區的（x，y）開(kāi)始處顯示長(cháng)度為len的漢字串；

disphz8_16（WORD x，WORD y，WORD c）在第二區的（x，y）處顯示8×16點(diǎn)陣的字符；

dispbitmap（BYTE x，BYTE y，BYTE lenth，BYTE height，BYTE *str）在第二區的（x，y）處顯示長(cháng)度為lenth、高度為height的位圖。

以上16×16點(diǎn)陣漢字是在ucdos下通過(guò)一種漢字提取程序得到的字模代碼，由于單片機的內存有限，我只是把需要顯示的漢字提取出來(lái)，放到一個(gè)雙下標數組中，需要顯示某一漢字時(shí)，只需調用該漢字的下標序號即可。

8×16點(diǎn)陣字符及其它位圖則是通過(guò)去掉*.bmp位圖文件的文件頭而得到的。