基于RS485的嵌入式電池化成充放電控制系統的設計

1引言

化成充放電是蓄電池生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵過(guò)程之一，其控制水平直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。該工藝要求化成充電機能夠按時(shí)間、電壓或安時(shí)數等條件對蓄電池進(jìn)行多次的充放電，具有靜電、恒流充電、恒壓（限流）充電、恒流放電等多種充放電模式，并要求達到控制精度≤1%，檢測精度≤0.5%，限流限壓保護精度≤2%。常規生產(chǎn)方式下主要采用人工手動(dòng)操作，控制精度低、勞動(dòng)強度大、人為因素對產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大，因此引入微機程控裝置對于改善操作過(guò)程、提高產(chǎn)品質(zhì)量意義重大。[1]

隨著(zhù)新型單片機內置大容量的FlashROM、各種串行ADC、DAC以及高密度串行E2PROM等技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)高性能、低成本、緊湊型蓄電池充放電控制器成為可能。根據小容量多回路充電機設備的需要，本文提出了一套由嵌入式單片機及其外圍串行設備組成的多回路微控制器的設計方案，可以同時(shí)控制4臺化成充電機的運行，實(shí)現自動(dòng)靜電、恒流充放電、恒壓限流充電等控制功能；采用漢字LCD顯示，可通過(guò)鍵盤(pán)設定控制程序參數，具有多階段可自動(dòng)按時(shí)間和條件（電壓、電流或安時(shí)）控制的功能；斷電后可自動(dòng)記憶狀態(tài)，恢復運行后自動(dòng)繼續原過(guò)程；自動(dòng)監測斷流、過(guò)流、過(guò)壓等故障并告警；此外，通過(guò)RS485串行通信和上位機聯(lián)網(wǎng)可構成兩級集中監控分散型系統。[2-4]

2控制器的硬件設計

多回路化成充放電控制器的硬件主要由主控模塊和過(guò)程處理模塊兩大部分組成。按設計要求，主控模塊應具有下列功能：（1）良好的人機交互界面，包括鍵盤(pán)和顯示器；（2）存儲工藝控制參數；（3）掉電保存運行狀態(tài)及數據；（4）高可靠性和抗干擾性；（5）與上位機聯(lián)網(wǎng)構成兩級集中監控或打印記錄系統。過(guò)程處理模塊完成4路化成充電機的輸入/輸出信號的調理、隔離與轉換。包括系統給定控制量的輸出、電流及電壓采樣值的輸入，以及開(kāi)關(guān)量的輸出。根據上述功能要求，設計控制器的硬件結構如圖1所示。

主控模塊以低功耗、高性能的單片機AT89C55為主控CPU，其內部閃存容量達到20KB，內部RAM256字節，可滿(mǎn)足較復雜的控制程序、LCD顯示漢字庫及通信程序的需要，而無(wú)需擴展外部程序存儲器和數據存儲器。主控模塊的面板上提供了2×7的薄膜鍵盤(pán)和192×64的點(diǎn)陣式液晶顯示器，使現場(chǎng)操作畫(huà)面非常友好。

采用大容量的24LCXX系列的串行E2PROM來(lái)保存大量的設定工藝控制參數及掉電狀態(tài)數據。24LCXX與單片機的接口采用兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，簡(jiǎn)單可靠。單片機作為主設備，24LCXX作為從設備，主設備對從設備進(jìn)行讀、寫(xiě)數據操作。

過(guò)程設備接口均采用串行芯片，接口簡(jiǎn)單，與單片機間的信號線(xiàn)最多為四根，使得連線(xiàn)數目大大減少，且這些信號線(xiàn)均經(jīng)光耦隔離后接到單片機，提高了系統的可靠性。

另外，考慮到控制系統的特點(diǎn)，屬于多點(diǎn)通信方式，且距離較長(cháng)，數據要求雙向傳輸，因此采用連接方便、抗干擾性能好、失真小且成低本的RS－485標準接口，實(shí)現和上位機之間的數據通信。

該微控制器的硬件設計充分體現了嵌入式系統結構緊湊，外設簡(jiǎn)單，體積小，攜帶方便的特點(diǎn)，成本亦大大降低。

3數據的存儲管理

在控制４臺充電機工作的過(guò)程中，需要保存大量的非易失的數據，如工藝控制參數和運行控制數據。在串行E2PROM中保存了預置的8組型號的參數，每組包含12個(gè)階段的工藝控制參數?？刂瞥潆姍C運行的過(guò)程中，系統定時(shí)將各回路充電機的工作參數值保存到E2PROM中。當系統突然掉電后能自動(dòng)記憶狀態(tài)，恢復運行后自動(dòng)繼續原過(guò)程。

但考慮到掉電發(fā)生的隨機性，為保證數據的正確性與完整性，設置了特定標志，保證寫(xiě)入數據的完整性。即每次對24LCXX操作前，首先判斷此標志，若為FFH，表明基本數據區數據完整，將其內容寫(xiě)入后備數據區；若為00H，表明上一次對基本數據區的操作被打斷，數據不完整，則將后備數據區的內容寫(xiě)入基本數據去，恢復掉電前的數據狀態(tài)。在對數據操作完成之后，再將標志置為FFH，表明對數據的一次完整操作。采用這種給數據操作加鎖的方法，有效地確保了系統的穩定運行。

4控制器的軟件設計

4.1實(shí)時(shí)多任務(wù)結構及任務(wù)的劃分

控制器軟件采用實(shí)時(shí)多任務(wù)結構，分為啟動(dòng)管理任務(wù)和運行任務(wù)兩大部分。啟動(dòng)管理任務(wù)包括上電命令處理（輔助自檢、清除記憶數據等）、系統初始化和工藝控制參數等修改設置，同時(shí)串行通信中斷任務(wù)作為后臺任務(wù)，接收上位機命令并向上位機發(fā)送狀態(tài)信息；運行任務(wù)在執行啟動(dòng)充電機命令后激活，包括主控調度程序（前臺任務(wù)）、系統定時(shí)器中斷、串行通信中斷任務(wù)等，按不同優(yōu)先級調度運行（前臺任務(wù)被后臺任務(wù)打斷）。圖2為系統任務(wù)及調度示意圖。