鉅大LARGE | 點擊量：792次 | 2021年04月28日
多回路分散型嵌入式鋰電池化成充放電控制器
1引言
化成充放電是蓄電池生產工藝中的關鍵過程之一，其控制水平直接關系到產品的質量。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%。常規生產方式下重要采用人工手動操作，控制精度低、勞動強度大、人為因素對產品的質量影響很大，因此引入微機程控裝置關于改善操作過程、提高產品質量意義重大。[1]
隨著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等技術的發展，開發高性能、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法，可以同時控制4臺化成充電機的運行，實現自動靜電、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，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，恢復運行后自動繼續原過程；自動監測斷流、過流、過壓等故障并告警；此外，通過RS485串行通信和上位機聯網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重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；（3）掉電保存運行狀態及數據；（4）高可靠性和抗干擾性；（5）與上位機聯網構成兩級集中監控或打印記錄系統。過程處理模塊完成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，以及開關量的輸出。根據上述功能要求，設計控制器的硬件結構如圖1所示。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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，可滿足較復雜的控制程序、LCD顯示漢字庫及通信程序的要，而無需擴展外部程序存儲器和數據存儲器。主控模塊的面板上供應了27的薄膜鍵盤和19264的點陣式液晶顯示器，使現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及掉電狀態數據。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、寫數據操作。
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，使得連線數目大大減少，且這些信號線均經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，屬于多點通信方式，且距離較長，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，外設簡單，體積小，攜帶方便的特點，成本亦大大降低。
3數據的存儲管理
在控制４臺充電機工作的過程中，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個階段的工藝控制參數。控制充電機運行的過程中，系統按時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記憶狀態，恢復運行后自動繼續原過程。
但考慮到掉電發生的隨機性，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入基本數據去，恢復掉電前的數據狀態。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、清除記憶數據等）、系統初始化和工藝控制參數等修改設置，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送狀態信息；運行任務在執行啟動充電機命令后激活，包括主控調度程序（前臺任務）、系統按時器中斷、串行通信中斷任務等，按不同優先級調度運行（前臺任務被后臺任務打斷）。圖2為系統任務及調度示意圖。
后臺任務1由系統按時器T0每100ms出現一次中斷，形成基本時鐘源，為控制和通信任務供應各類軟件計數器。主控調度程序根據按時器計數狀態調度各個任務，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、顯示設置參數等；每隔1秒進行例行數據采集與處理，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秒循環顯示4路充電機的實時工作狀態參數，包括當前工作階段、工作方式、運行時間、電壓電流值、安時數等；每隔2秒分別計算4路充電機的安時數；每隔3秒進行閉環反饋控制pI調節；每隔1分鐘分別累計4路充電機的安時數，同時備份相關的數據到E2pROM中。運行過程中按時檢查電流、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，通信中斷任務的優先級比按時器中斷的優先級高。通信中斷包括接收中斷和發送中斷兩種情況，并需根據要進行切換控制和處理。平時處于接收中斷允許狀態，當收到上位機輪詢報文時即組織發送報文，將報文幀送到發報緩沖區，啟動發送中斷和發送計數器，在以后的發送中斷任務中按計數器發送一個字節直到發完該幀即禁止發送中斷。如收到上位機數據/命令報文頭則清理收報緩沖區，等待下次接收中斷字節。
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。根據圖2中系統任務的劃分，程序模塊重要由主控程序及按時器中斷程序模塊、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通信系統的設計
本文的應用對象是蓄電池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可靠性，控制系統設計可以采用小型的分散型控制系統，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實時通信網絡，將數十臺多回路控制器與pC機相連，實現對生產過程的集中監控操作。上位機和下位機之間的通信包括數據下載、數據上裝、命令下發等。通信系統設計如下：
（1）系統物理層協議采用RS－485標準，為了在允許范圍內盡量提高通信速率，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個現場控制器逐個通信，通過適當的軟件設計，可基本滿足充放電過程操作的實時性要求。
（2）據鏈路層協議參考HDLC，采用短幀定長傳送，每幀有效字節為7個。應用層要求實現即時數據上裝、歷史數據上裝、控制參數數據下載和命令下發等功能。
（3）本系統采用主站輪詢的主從方式，由主站發起通信，沒有網絡沖突；由主站選擇它要求通信的次站，各次站可以有不同的優先級。相關于總線式控制網絡，這種方式易于理解和實現。
6結束語
實驗和現場實際運行表明，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，參數設置靈活，有較強的適應性。系統軟硬件設備工作正常，功能齊全，穩定可靠，具有完善的系統自診斷、故障定位功能。而且具有成本低、體積小（80160100）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設計,北京特種航天大學出版社，1990.
[3]李維，郭強,液晶顯示應用手冊，電子工業出版社，2002.
[4]冉全，章滌峰，單片機系統中的多任務多線程機制的實現，單片機與嵌入式系統應用，2003,(6)
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