鋰離子電池組監控系統研究與實(shí)現 — 下位機軟件設計

　　4.1開(kāi)發(fā)平臺

　　由于本系統采用的是TI公司的MSP430系列的單片機，因此開(kāi)發(fā)平臺選用IAR Embedded Workbench for Msp430 3.42A這個(gè)版本。該軟件是一種增強型一體化嵌入式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其中完全集成了開(kāi)發(fā)嵌入式所需的文件編輯、項目管理、編譯、鏈接和調試工具。該軟件除了可以進(jìn)行純軟件仿真，也可以結合仿真器實(shí)現在線(xiàn)仿真調試。

　　4.2軟件模塊劃分

　　下位機軟件系統主要由定時(shí)中斷數據采集處理模塊、外部中斷短路保護模塊、充放電保護模塊和均衡保護模塊等構成。軟件主程序流程圖如圖4.1所示。

　　4.3數據采集模塊

　　數據采集處理模塊是整個(gè)檢測系統的核心，通過(guò)在主程序中設置定時(shí)器1的定時(shí)時(shí)間，使其產(chǎn)生中斷，在中斷程序里完成對電壓、電流和溫度等參數的采集和處理。該模塊包括電壓，電流及溫度的采集以及處理。這些數據的精確度對系統的性能有著(zhù)決定性的作用。

　　4.3.1電壓采集模塊系統需要對16節鋰電池模組的單節電池電壓進(jìn)行采集，由于MSP430F233只有8路A/D，同時(shí)還要對4路溫度及1路電流采樣，因此，系統采用分時(shí)復用的方式用一路A/D實(shí)現對16節鋰電池進(jìn)行電壓采集，復用方式采用4片CD4052實(shí)現。程序中建立兩個(gè)枚舉類(lèi)型的數據來(lái)對CD4052進(jìn)行選通，每次選通時(shí)，利用CD4052的差分功能可得到單節的電池電壓。這兩個(gè)枚舉類(lèi)型為：

　　enum ADD_STATA{S0，S1，S2，S3}

　　enum CS_STATA{CS1，CS2，CS3，CS4}

　　其中ADD_STATA用于對單片的CD4052的四路通路進(jìn)行選擇，CS_STATA對CD4052進(jìn)行片選，在程序中對應這兩種枚舉數據類(lèi)型的變量分別為ADD_A_B和CS_SEL，電壓的采樣利用定時(shí)器1中斷。定時(shí)器每計數200下采樣一次，每路信號采樣10次。

　　系統晶振頻率為32K，因此，每次采樣的采樣周期為：t=200/32k=0.006s

　　4.3.2電流及溫度采集模塊

　　系統電流的采集通過(guò)檢測高端電流檢測芯片MAX4081上RS-和RS+兩端的電壓獲得。溫度的采集通過(guò)檢測熱敏電阻兩端的電壓獲得。電流和溫度信號的采集共占用5路A/D通道。

　　4.4充放電管理模塊

　　4.4.1充電管理模塊

　　鋰電池模組在正常情況下充電回路要保持一旦接通就充電，但在充電過(guò)程中如果單體電壓的最大值大于4.2V時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器2，定時(shí)一段時(shí)間后進(jìn)入中斷，在中斷內再次對該過(guò)充信號進(jìn)行檢測，如果仍然超過(guò)設定值，就需要啟動(dòng)充電保護，斷開(kāi)充電回路。但由于某種原因(比如放電)而使最大值下降到4.0V且持續一定時(shí)間要接通充電回路，以方便下次充電。為實(shí)現此功能定義了幾個(gè)標志位：charge_guard， chage_f_guard， charge_guarded，分別代表單體電池電壓最大值大于4.2V標志，單體電池電壓最大值小于4.0V標志和進(jìn)入充電保護標志。具體實(shí)現方式為先根據電池最大值決定是否啟動(dòng)定時(shí)器中斷，流程圖如4.2所示：

　　一旦啟動(dòng)了定時(shí)器，當定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)，進(jìn)行充電保護的判斷，流程圖如圖4.3所示：

　　4.4.2放電管理模塊系統的放電管理模塊與充電管理模塊類(lèi)似，只是充電保護及恢復通過(guò)對電壓的最小值的判斷來(lái)實(shí)現。在放電過(guò)程中如果單體電壓的最小值小于2.7V，啟動(dòng)定時(shí)器2，定時(shí)一段時(shí)間后進(jìn)入中斷，在中斷內再次對該過(guò)放信號進(jìn)行檢測，如果仍然超過(guò)設定值，斷開(kāi)放電回路。但由于某種原因(比如充電)而使最小大值上升到2.9V且持續一定時(shí)間要接通放電回路，以方便下次放電。為實(shí)現此功能定義了幾個(gè)標志位：discharge_guard，dischage_f_guard，discharge_guarded，分別代表單體電池電壓最小值小于2.7V標志，單體電池電壓最小值大于2.9V標志和進(jìn)入放電保護標志。具體實(shí)現方式為先根據電池最小值決定是否啟動(dòng)定時(shí)器中斷，流程圖如圖4.4所示：

　　如果啟動(dòng)了定時(shí)器，當定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)進(jìn)行放電保護判斷，流程圖如圖4.5所示：

　　4.4.3電壓均衡處理模塊

　　在電池充電過(guò)程中，由于鋰電池的個(gè)體差異，可能會(huì )造成某節電池產(chǎn)生過(guò)充，為了避免過(guò)充造成電池損壞，需要在過(guò)充時(shí)對電池旁路。從而使每節電池電壓達到均衡。均衡方法為在滿(mǎn)充電態(tài)時(shí)，也就是當檢測到某節電池達到4.2V時(shí)，開(kāi)始啟動(dòng)均衡，首先計算16節鋰電池的平均電壓，然后將各節電池的單體電壓與平均電壓相減，如果其中某節電池的電壓與平均電壓的差值大于0.2V，便將該電池旁路，啟動(dòng)均衡。

　　4.5短路保護

　　系統的短路需要很高的實(shí)時(shí)性，因此該保護通過(guò)硬件中斷的方式實(shí)現，當硬件檢測到短路發(fā)生后產(chǎn)生硬件中斷，主控CPU立即斷開(kāi)負載回路，而當短路解除時(shí)，CPU會(huì )接收到硬件電路發(fā)送的解除保護信號，系統恢復正常。

　　4.6軟件抗干擾

　　整個(gè)系統穩定工作的前提是電壓采樣值能夠精確，但是由于硬件電路本身結構所限，每次采集的數據會(huì )有一定誤差，為了降低采集誤差給系統造成性能的降低，加入了軟件抗干擾措施。具體方式是對每一路信號都連續進(jìn)行10次采樣，然后去掉其中的最大值和最小值，對剩下的8個(gè)數據求平均值，最終得到有效的采樣值。試驗證明該方法可使采樣誤差從10毫伏降低到5毫伏以?xún)?，從而提高了系統的穩定性。

　　4.7小結

　　本章介紹了鋰離子電池組監控系統的下位機軟件系統設計，主要包括了信號采集、短路保護、均衡保護、充放電保護等模塊以及系統的軟件抗干擾措施，整個(gè)軟件系統已和硬件系統聯(lián)調成功，各項功能均已達到預期效果。