基于C8051F530单片机的电动汽车电池检测器
2014-06-16 05:35王锁弘
科技创新导报 2014年4期
摘 要：从电动汽车电池管理系统的结构分析入手，提出了一种采用485通信总线的电池信息采集模块，详细介绍了基于C8051F530单片机的电池检测器的硬件原理图和主要软件功能，推导出了温度计算公式。
关键词：电池管理系统 温度检测 光电隔离 C8051F530
中图分类号：TM930 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0098-02
电动汽车的动力电源通常是由多个电池串联组成的直流高压电源，多个单体电池串联以后，要实现电压的测量以及与上位机的通信，既要解决各个测量电路之间的隔离问题，也要考虑测量模块的长期在线工作对电池电量的消耗。
1 电动汽车电池管理系统的结构
电动汽车电池管理系统的结构如图1所示，整个系统包括一个上位监控器，若干个下位检测模块和电池组等。上位监控器一般由单片机、电流检测电路、液晶显示器，485电平转换器以及CAN总线接口等组成，通过485通讯总线与下位电池检测模块相连，通过CAN总线和充电器、变频器以及整机控制器来交换信息。图中串行通信采用485总线，下挂N个智能型电动汽车电池检测器，组成分布式电池管理系统，上位计算机只有4根连线和下位检测器连接，分别是：电源+5 V，电源地GND，A，B。
2 基于单片机C8051F530的电池检测器
汽车单片机是符合AEC-Q100规范并具有在高达125 ℃高温下运行的汽车级产品。在Silicon Labs推出的混合信号SOC单片机中，C8051F5xx是工业和汽车级的单片机[1]。C8051F系列单片机和传统的51系列单片机只是指令兼容，128字节的基本存储器结构一样，其他方面，特别是内核结构并不一样，其性能远超普通8051系列单片机。传统的51单片机12个时钟周期组成一个机器周期，而对C8051F系列单片机而言，一个时钟周期就是一个机器周期，24.5MIPS是该系列产品的基本指标。
本方案选择C8051F530单片机作为主控芯片，作为一款汽车级单片机，它具有四个显著特点：集成有一个LIN2.1总线控制器；1.8～5.25 V的宽电压供电，内置一个低压差线性稳压器LDO；精度可达±0.5%的内部晶振；温度范围可达-40～+125 ℃。片上看门狗定时器、电源监视器、电压比较器、温度传感器，片内JTAG调试和边界扫描系统等。
图2所示为基于C8051F530单片机的电动汽车电池检测器原理图，稳压电路给单片机及其外围电路提供电源，输入即为电池的12 V端电压，VR1采用输出3.3 V的线性稳压器。电压测量电路采用电阻R3和R4的简单分压电路，将12 V电压按1/4的比例分压，得到的低压信号送入单片机的ADC输入端进行模数转换，地址编码电路由5位二进制选择开关ADR1组成。电平转换电路U2采用MAX485芯片组成485串行通信电路，其作用是将经过光电耦合器U3和U4隔离的TTL电平，转换成484总线电平，MAX485的电源由上位机供电。电源检测电路用一个简单的取样电阻R13和光电耦合器U4组成，当上位机供电时，光电耦合器U4的输入端导通，使输出端产生的低电平输出给单片机。
低功耗单片机U1是检测器的主要控制芯片，在AD转换中断程序中，单片机U1完成对电池电压和电池温度的采样处理，进行求平均值运算。在响应上位计算机发来的串行通信中断服务程序中，把收到的地址数据与自己的地址编码进行比较，如果相等，则把通过AD转换测量得来的电池电压和电池温度发回给上位单片机，反之如果不相等，则不理会上位计算机的请求，继续进行检测电池电压和电池温度的工作。当上位计算机的电源关断以后，单片机记录当前的参数，为了节省电池电量，进入微功耗省电方式，直到上位计算机的电源重新打开，单片机又重新进入正常的工作状态。
3 电池检测器的软件设计
电动汽车电池检测器的软件模块主要有温度采集模块、电压采集模块和串行通信等模块。电压的采集比较简单，就是一个模数转换程序，在ADC的中断服务程序中完成。通信程序采用UART中断程序，一般情况下由上位机采用巡回检测的方式，主动下发各个电池检测器的地址码，地址码识别成功的电池检测器，将其应答数据上传给上位计算机，在某个检测器有异常情况时，检测器也可以主动向上位计算机发送报警数据。
为了简便起见，温度的求取没有采用公式计算法，而采用了阻值查表的方法。根据电路连接关系和欧姆定理，存在如下公式：
（1）
式中：为热敏电阻阻值；为热敏电阻分压；为精密电阻；为单片机电源电压。
由公式（1）可求出热敏电阻的阻值，再通过对热敏电阻的温度—阻值查表，即可得到温度值。
4 结语
基于SOC混合信号单片机C8051F530的电动汽车电池检测器，是一种智能型电池检测器，不管电池组处于充电状态还是放电状态，各个单体电池的检测器都能互相隔离，安全工作，解决了单体电池电压和温度的实时精确采集问题，能与上位机算计通过标准串行接口交换信息。该检测器具有电路简单，成本低，体积小，可以方便地附加在电池的外壳上，电池编号容易，便于推广应用和批量生产等特点。
参考文献
[1] C8051F530 Data Sheet[Z].Silicon Labs.USA.2006.
[2] 路石超，路建统，王锁弘.一种智能型电动汽车电池检测器.中国，2011101104540[P].
[3] 包海涛.嵌入式SOC系统开发与工程实例[M].北京：航空航天大学出版社，2009.endprint
摘 要：从电动汽车电池管理系统的结构分析入手，提出了一种采用485通信总线的电池信息采集模块，详细介绍了基于C8051F530单片机的电池检测器的硬件原理图和主要软件功能，推导出了温度计算公式。
关键词：电池管理系统 温度检测 光电隔离 C8051F530
中图分类号：TM930 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0098-02
电动汽车的动力电源通常是由多个电池串联组成的直流高压电源，多个单体电池串联以后，要实现电压的测量以及与上位机的通信，既要解决各个测量电路之间的隔离问题，也要考虑测量模块的长期在线工作对电池电量的消耗。
1 电动汽车电池管理系统的结构
电动汽车电池管理系统的结构如图1所示，整个系统包括一个上位监控器，若干个下位检测模块和电池组等。上位监控器一般由单片机、电流检测电路、液晶显示器，485电平转换器以及CAN总线接口等组成，通过485通讯总线与下位电池检测模块相连，通过CAN总线和充电器、变频器以及整机控制器来交换信息。图中串行通信采用485总线，下挂N个智能型电动汽车电池检测器，组成分布式电池管理系统，上位计算机只有4根连线和下位检测器连接，分别是：电源+5 V，电源地GND，A，B。
2 基于单片机C8051F530的电池检测器
汽车单片机是符合AEC-Q100规范并具有在高达125 ℃高温下运行的汽车级产品。在Silicon Labs推出的混合信号SOC单片机中，C8051F5xx是工业和汽车级的单片机[1]。C8051F系列单片机和传统的51系列单片机只是指令兼容，128字节的基本存储器结构一样，其他方面，特别是内核结构并不一样，其性能远超普通8051系列单片机。传统的51单片机12个时钟周期组成一个机器周期，而对C8051F系列单片机而言，一个时钟周期就是一个机器周期，24.5MIPS是该系列产品的基本指标。
本方案选择C8051F530单片机作为主控芯片，作为一款汽车级单片机，它具有四个显著特点：集成有一个LIN2.1总线控制器；1.8～5.25 V的宽电压供电，内置一个低压差线性稳压器LDO；精度可达±0.5%的内部晶振；温度范围可达-40～+125 ℃。片上看门狗定时器、电源监视器、电压比较器、温度传感器，片内JTAG调试和边界扫描系统等。
图2所示为基于C8051F530单片机的电动汽车电池检测器原理图，稳压电路给单片机及其外围电路提供电源，输入即为电池的12 V端电压，VR1采用输出3.3 V的线性稳压器。电压测量电路采用电阻R3和R4的简单分压电路，将12 V电压按1/4的比例分压，得到的低压信号送入单片机的ADC输入端进行模数转换，地址编码电路由5位二进制选择开关ADR1组成。电平转换电路U2采用MAX485芯片组成485串行通信电路，其作用是将经过光电耦合器U3和U4隔离的TTL电平，转换成484总线电平，MAX485的电源由上位机供电。电源检测电路用一个简单的取样电阻R13和光电耦合器U4组成，当上位机供电时，光电耦合器U4的输入端导通，使输出端产生的低电平输出给单片机。
低功耗单片机U1是检测器的主要控制芯片，在AD转换中断程序中，单片机U1完成对电池电压和电池温度的采样处理，进行求平均值运算。在响应上位计算机发来的串行通信中断服务程序中，把收到的地址数据与自己的地址编码进行比较，如果相等，则把通过AD转换测量得来的电池电压和电池温度发回给上位单片机，反之如果不相等，则不理会上位计算机的请求，继续进行检测电池电压和电池温度的工作。当上位计算机的电源关断以后，单片机记录当前的参数，为了节省电池电量，进入微功耗省电方式，直到上位计算机的电源重新打开，单片机又重新进入正常的工作状态。
3 电池检测器的软件设计
电动汽车电池检测器的软件模块主要有温度采集模块、电压采集模块和串行通信等模块。电压的采集比较简单，就是一个模数转换程序，在ADC的中断服务程序中完成。通信程序采用UART中断程序，一般情况下由上位机采用巡回检测的方式，主动下发各个电池检测器的地址码，地址码识别成功的电池检测器，将其应答数据上传给上位计算机，在某个检测器有异常情况时，检测器也可以主动向上位计算机发送报警数据。
为了简便起见，温度的求取没有采用公式计算法，而采用了阻值查表的方法。根据电路连接关系和欧姆定理，存在如下公式：
（1）
式中：为热敏电阻阻值；为热敏电阻分压；为精密电阻；为单片机电源电压。
由公式（1）可求出热敏电阻的阻值，再通过对热敏电阻的温度—阻值查表，即可得到温度值。
4 结语
基于SOC混合信号单片机C8051F530的电动汽车电池检测器，是一种智能型电池检测器，不管电池组处于充电状态还是放电状态，各个单体电池的检测器都能互相隔离，安全工作，解决了单体电池电压和温度的实时精确采集问题，能与上位机算计通过标准串行接口交换信息。该检测器具有电路简单，成本低，体积小，可以方便地附加在电池的外壳上，电池编号容易，便于推广应用和批量生产等特点。
参考文献
[1] C8051F530 Data Sheet[Z].Silicon Labs.USA.2006.
[2] 路石超，路建统，王锁弘.一种智能型电动汽车电池检测器.中国，2011101104540[P].
[3] 包海涛.嵌入式SOC系统开发与工程实例[M].北京：航空航天大学出版社，2009.endprint
摘 要：从电动汽车电池管理系统的结构分析入手，提出了一种采用485通信总线的电池信息采集模块，详细介绍了基于C8051F530单片机的电池检测器的硬件原理图和主要软件功能，推导出了温度计算公式。
关键词：电池管理系统 温度检测 光电隔离 C8051F530
中图分类号：TM930 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0098-02
电动汽车的动力电源通常是由多个电池串联组成的直流高压电源，多个单体电池串联以后，要实现电压的测量以及与上位机的通信，既要解决各个测量电路之间的隔离问题，也要考虑测量模块的长期在线工作对电池电量的消耗。
1 电动汽车电池管理系统的结构
电动汽车电池管理系统的结构如图1所示，整个系统包括一个上位监控器，若干个下位检测模块和电池组等。上位监控器一般由单片机、电流检测电路、液晶显示器，485电平转换器以及CAN总线接口等组成，通过485通讯总线与下位电池检测模块相连，通过CAN总线和充电器、变频器以及整机控制器来交换信息。图中串行通信采用485总线，下挂N个智能型电动汽车电池检测器，组成分布式电池管理系统，上位计算机只有4根连线和下位检测器连接，分别是：电源+5 V，电源地GND，A，B。
2 基于单片机C8051F530的电池检测器
汽车单片机是符合AEC-Q100规范并具有在高达125 ℃高温下运行的汽车级产品。在Silicon Labs推出的混合信号SOC单片机中，C8051F5xx是工业和汽车级的单片机[1]。C8051F系列单片机和传统的51系列单片机只是指令兼容，128字节的基本存储器结构一样，其他方面，特别是内核结构并不一样，其性能远超普通8051系列单片机。传统的51单片机12个时钟周期组成一个机器周期，而对C8051F系列单片机而言，一个时钟周期就是一个机器周期，24.5MIPS是该系列产品的基本指标。
本方案选择C8051F530单片机作为主控芯片，作为一款汽车级单片机，它具有四个显著特点：集成有一个LIN2.1总线控制器；1.8～5.25 V的宽电压供电，内置一个低压差线性稳压器LDO；精度可达±0.5%的内部晶振；温度范围可达-40～+125 ℃。片上看门狗定时器、电源监视器、电压比较器、温度传感器，片内JTAG调试和边界扫描系统等。
图2所示为基于C8051F530单片机的电动汽车电池检测器原理图，稳压电路给单片机及其外围电路提供电源，输入即为电池的12 V端电压，VR1采用输出3.3 V的线性稳压器。电压测量电路采用电阻R3和R4的简单分压电路，将12 V电压按1/4的比例分压，得到的低压信号送入单片机的ADC输入端进行模数转换，地址编码电路由5位二进制选择开关ADR1组成。电平转换电路U2采用MAX485芯片组成485串行通信电路，其作用是将经过光电耦合器U3和U4隔离的TTL电平，转换成484总线电平，MAX485的电源由上位机供电。电源检测电路用一个简单的取样电阻R13和光电耦合器U4组成，当上位机供电时，光电耦合器U4的输入端导通，使输出端产生的低电平输出给单片机。
低功耗单片机U1是检测器的主要控制芯片，在AD转换中断程序中，单片机U1完成对电池电压和电池温度的采样处理，进行求平均值运算。在响应上位计算机发来的串行通信中断服务程序中，把收到的地址数据与自己的地址编码进行比较，如果相等，则把通过AD转换测量得来的电池电压和电池温度发回给上位单片机，反之如果不相等，则不理会上位计算机的请求，继续进行检测电池电压和电池温度的工作。当上位计算机的电源关断以后，单片机记录当前的参数，为了节省电池电量，进入微功耗省电方式，直到上位计算机的电源重新打开，单片机又重新进入正常的工作状态。
3 电池检测器的软件设计
电动汽车电池检测器的软件模块主要有温度采集模块、电压采集模块和串行通信等模块。电压的采集比较简单，就是一个模数转换程序，在ADC的中断服务程序中完成。通信程序采用UART中断程序，一般情况下由上位机采用巡回检测的方式，主动下发各个电池检测器的地址码，地址码识别成功的电池检测器，将其应答数据上传给上位计算机，在某个检测器有异常情况时，检测器也可以主动向上位计算机发送报警数据。
为了简便起见，温度的求取没有采用公式计算法，而采用了阻值查表的方法。根据电路连接关系和欧姆定理，存在如下公式：
（1）
式中：为热敏电阻阻值；为热敏电阻分压；为精密电阻；为单片机电源电压。
由公式（1）可求出热敏电阻的阻值，再通过对热敏电阻的温度—阻值查表，即可得到温度值。
4 结语
基于SOC混合信号单片机C8051F530的电动汽车电池检测器，是一种智能型电池检测器，不管电池组处于充电状态还是放电状态，各个单体电池的检测器都能互相隔离，安全工作，解决了单体电池电压和温度的实时精确采集问题，能与上位机算计通过标准串行接口交换信息。该检测器具有电路简单，成本低，体积小，可以方便地附加在电池的外壳上，电池编号容易，便于推广应用和批量生产等特点。
参考文献
[1] C8051F530 Data Sheet[Z].Silicon Labs.USA.2006.
[2] 路石超，路建统，王锁弘.一种智能型电动汽车电池检测器.中国，2011101104540[P].
[3] 包海涛.嵌入式SOC系统开发与工程实例[M].北京：航空航天大学出版社，2009.endprint
