多回路分散型嵌入式電池化成充放電控制器

1引言

化成充放電是蓄電池生產(chǎn)工藝中的關鍵過程之一，其控制水平直接關系到產(chǎn)品的質量。該工藝要求化成充電機能夠按時間、電壓或安時數(shù)等條件對蓄電池進行多次的充放電，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(guī)生產(chǎn)方式下主要采用人工手動操作，控制精度低、勞動強度大、人為因素對產(chǎn)品的質量影響很大，因此引入微機程控裝置對于改善操作過程、提高產(chǎn)品質量意義重大。[1]

隨著新型單片機內(nèi)置大容量的FlashROM、各種串行ADC、DAC以及高密度串行E2PROM等技術的發(fā)展，開發(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(jù)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，可以同時控制4臺化成充電機的運行，實現(xiàn)自動靜電、恒流充放電、恒壓限流充電等控制功能；采用漢字LCD顯示，可通過鍵盤設定控制程序參數(shù)，具有多階段可自動按時間和條件（電壓、電流或安時）控制的功能；斷電后可自動記憶狀態(tài)，恢復運行后自動繼續(xù)原過程；自動監(jiān)測斷流、過流、過壓等故障并告警；此外，通過RS485串行通信和上位機聯(lián)網(wǎng)可構成兩級集中監(jiān)控分散型系統(tǒng)。[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，包括鍵盤和顯示器；（2）存儲工藝控制參數(shù)；（3）掉電保存運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)；（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(jiān)控或打印記錄系統(tǒng)。過程處理模塊完成4路化成充電機的輸入/輸出信號的調(diào)理、隔離與轉換。包括系統(tǒng)給定控制量的輸出、電流及電壓采樣值的輸入，以及開關量的輸出。根據(jù)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(nèi)部閃存容量達到20KB，內(nèi)部RAM256字節(jié)，可滿足較復雜的控制程序、LCD顯示漢字庫及通信程序的需要，而無需擴展外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。主控模塊的面板上提供了2×7的薄膜鍵盤和192×64的點陣式液晶顯示器，使現(xiàn)場操作畫面非常友好。

采用大容量的24LCXX系列的串行E2PROM來保存大量的設定工藝控制參數(shù)及掉電狀態(tài)數(shù)據(jù)。24LCXX與單片機的接口采用兩線式串行總線，簡單可靠。單片機作為主設備，24LCXX作為從設備，主設備對從設備進行讀、寫數(shù)據(jù)操作。

過程設備接口均采用串行芯片，接口簡單，與單片機間的信號線最多為四根，使得連線數(shù)目大大減少，且這些信號線均經(jīng)光耦隔離后接到單片機，提高了系統(tǒng)的可靠性。

另外，考慮到控制系統(tǒng)的特點，屬于多點通信方式，且距離較長，數(shù)據(jù)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，實現(xiàn)和上位機之間的數(shù)據(jù)通信。

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

3數(shù)據(jù)的存儲管理

在控制４臺充電機工作的過程中，需要保存大量的非易失的數(shù)據(jù)，如工藝控制參數(shù)和運行控制數(shù)據(jù)。在串行E2PROM中保存了預置的8組型號的參數(shù)，每組包含12個階段的工藝控制參數(shù)。控制充電機運行的過程中，系統(tǒng)定時將各回路充電機的工作參數(shù)值保存到E2PROM中。當系統(tǒng)突然掉電后能自動記憶狀態(tài)，恢復運行后自動繼續(xù)原過程。

但考慮到掉電發(fā)生的隨機性，為保證數(shù)據(jù)的正確性與完整性，設置了特定標志，保證寫入數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)完整，將其內(nèi)容寫入后備數(shù)據(jù)區(qū)；若為00H，表明上一次對基本數(shù)據(jù)區(qū)的操作被打斷，數(shù)據(jù)不完整，則將后備數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容寫入基本數(shù)據(jù)去，恢復掉電前的數(shù)據(jù)狀態(tài)。在對數(shù)據(jù)操作完成之后，再將標志置為FFH，表明對數(shù)據(jù)的一次完整操作。采用這種給數(shù)據(jù)操作加鎖的方法，有效地確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4控制器的軟件設計

4.1實時多任務結構及任務的劃分

控制器軟件采用實時多任務結構，分為啟動管理任務和運行任務兩大部分。啟動管理任務包括上電命令處理（輔助自檢、清除記憶數(shù)據(jù)等）、系統(tǒng)初始化和工藝控制參數(shù)等修改設置，同時串行通信中斷任務作為后臺任務，接收上位機命令并向上位機發(fā)送狀態(tài)信息；運行任務在執(zhí)行啟動充電機命令后激活，包括主控調(diào)度程序（前臺任務）、系統(tǒng)定時器中斷、串行通信中斷任務等，按不同優(yōu)先級調(diào)度運行（前臺任務被后臺任務打斷）。圖2為系統(tǒng)任務及調(diào)度示意圖。

后臺任務1由系統(tǒng)定時器T0每100ms產(chǎn)生一次中斷，形成基本時鐘源，為控制和通信任務提供各類軟件計數(shù)器。主控調(diào)度程序根據(jù)定時器計數(shù)狀態(tài)調(diào)度各個任務，控制4路充電機的運行。這些任務包括：每隔1秒掃描一次鍵盤，根據(jù)鍵盤輸入的命令激活相應任務，如啟動或終止過程、顯示設置參數(shù)等；每隔1秒進行例行數(shù)據(jù)采集與處理，分別采集4路充電機的電壓、電流量，并對轉換的結果作相應的處理；每隔1秒循環(huán)顯示4路充電機的實時工作狀態(tài)參數(shù)，包括當前工作階段、工作方式、運行時間、電壓電流值、安時數(shù)等；每隔2秒分別計算4路充電機的安時數(shù)；每隔3秒進行閉環(huán)反饋控制PI調(diào)節(jié)；每隔1分鐘分別累計4路充電機的安時數(shù)，同時備份相關的數(shù)據(jù)到E2PROM中。運行過程中定時檢查電流、電壓信號，如遇異常、斷流、過流、過壓等故障則及時顯示故障類型和對應的充電機號。

后臺任務2為串行通信中斷任務。由于采用主從式異步串行通信，通信中斷任務的優(yōu)先級比定時器中斷的優(yōu)先級高。通信中斷包括接收中斷和發(fā)送中斷兩種情況，并需根據(jù)需要進行切換控制和處理。平時處于接收中斷允許狀態(tài)，當收到上位機輪詢報文時即組織發(fā)送報文，將報文幀送到發(fā)報緩沖區(qū)，啟動發(fā)送中斷和發(fā)送計數(shù)器，在以后的發(fā)送中斷任務中按計數(shù)器發(fā)送一個字節(jié)直到發(fā)完該幀即禁止發(fā)送中斷。如收到上位機數(shù)據(jù)/命令報文頭則清理收報緩沖區(qū)，等待下次接收中斷字節(jié)。

4.2模塊化的軟件設計

本控制器的軟件設計采用模塊化結構，使程序明晰簡潔。同時各模塊間相對獨立，可以單獨調(diào)試，程序擴充時，不要更改原有的結構，只需修改相應的模塊。根據(jù)圖2中系統(tǒng)任務的劃分，程序模塊主要由主控程序及定時器中斷程序模塊、通信程序模塊、顯示及鍵盤處理模塊、輸入輸出及控制量計算模塊構成。各模塊之間的聯(lián)系是采用單片機的邏輯處理功能，設置標志位，通過查詢標志位的操作進行控制和調(diào)用。

由于篇幅的原因，就不詳細介紹各模塊工作的流程。

5通信系統(tǒng)的設計

本文的應用對象是蓄電池工廠的極板或密閉電池充放電控制裝置，為了降低成本，便于管理并提高系統(tǒng)可靠性，控制系統(tǒng)設計可以采用小型的分散型控制系統(tǒng)，即兩層結構：分散的多回路控制器配一個操作站（俗稱上位機和下位機）。通過低成本、高可靠的RS-485實時通信網(wǎng)絡，將數(shù)十臺多回路控制器與PC機相連，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控操作。上位機和下位機之間的通信包括數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)上裝、命令下發(fā)等。通信系統(tǒng)設計如下：

（1）系統(tǒng)物理層協(xié)議采用RS－485標準，為了在允許范圍內(nèi)盡量提高通信速率，波特率選擇了非標準的3125bps。當上位機采用軟件輪詢方式與20個現(xiàn)場控制器逐個通信，通過適當?shù)能浖O計，可基本滿足充放電過程操作的實時性要求。

（2）據(jù)鏈路層協(xié)議參考HDLC，采用短幀定長傳送，每幀有效字節(jié)為7個。應用層要求實現(xiàn)即時數(shù)據(jù)上裝、歷史數(shù)據(jù)上裝、控制參數(shù)數(shù)據(jù)下載和命令下發(fā)等功能。

（3）本系統(tǒng)采用主站輪詢的主從方式，由主站發(fā)起通信，沒有網(wǎng)絡沖突；由主站選擇它要求通信的次站，各次站可以有不同的優(yōu)先級。相對于總線式控制網(wǎng)絡，這種方式易于理解和實現(xiàn)。

6結束語

實驗和現(xiàn)場實際運行表明，該多回路化成充放電控制器具有較好的人機對話窗口，結構簡單，操作簡便，參數(shù)設置靈活，有較強的適應性。系統(tǒng)軟硬件設備工作正常，功能齊全，穩(wěn)定可靠，具有完善的系統(tǒng)自診斷、故障定位功能。而且具有成本低、體積?。?0×160×100）的特點。

參考文獻

[1]賈英江，賈向英，淺議蓄電池充電，1998，（4）：22-24.

[2]何立民,MCS-51系列單片機應用系統(tǒng)設計,北京航空航天大學出版社，1990.

[3]李維，郭強,液晶顯示應用手冊，電子工業(yè)出版社，2002.

[4]冉全，章滌峰，單片機系統(tǒng)中的多任務多線程機制的實現(xiàn)，單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2003,(6)