劉禮華，宋俊杰，羅繼庚,黃元峰

(1.漢江丹江口鋁業(yè)有限責任公司,湖北 丹江口,442700;2.黃石市有色機電設備制造公司,湖北 黃石 435005；3.武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著人們工作、生活節(jié)奏的加快和消費水平的提高，家用汽車已逐步普及，并取代自行車、摩托車、電動車,成為最主要的代步和交通工具，同時也引起了人們生活方式的改變.傳統(tǒng)的家庭多媒體影音娛樂設施、GPS導航等車用輔助電器、甚至包括車用冰箱等大功率設備都被裝配到了汽車上.據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，隨著汽車電子和電氣附件的增加，車載附件所產(chǎn)生的功耗呈逐年上升之勢，汽車電子和電器設備正以平均每輛車每年超過110 W的速度遞增[1].汽車系統(tǒng)的供電電源包括蓄電池和汽車發(fā)電機，而且很多車用電器還是在發(fā)動機沒啟動的情況下主要依靠蓄電池供電的.車載附件的功耗增加，勢必會引起過載故障頻發(fā).這種不確定的電壓下跌或浪涌現(xiàn)象，有可能會影響到電動助力系統(tǒng)(EPS)等汽車核心電氣設備的供電，從而導致更為嚴重的行車安全事故.為了保證汽車的安全運行，就有必要對其擴展的用電附件的功耗進行監(jiān)視，因此，對于基于汽車電源接口供電的車載電器的功耗監(jiān)視就有著很重要的現(xiàn)實意義.

汽車車載電器的過度增加會對汽車電源系統(tǒng)帶來不確定的危害，對車載電器的功率監(jiān)控十分必要.但電壓高瞬變、寬范圍波動的汽車供電特點增加了對電源輸出功率的監(jiān)測難度.汽車系統(tǒng)一般采用12 V或24 V供電.汽車系統(tǒng)供電的一個明顯特點就是電壓的波動幅度比較大.家用小汽車一般用電壓是12 V，其正常工作電壓指標為10.5～14.8 V，實際波動電壓會在9～16 V區(qū)間；大型汽車一般用電壓為24 V，其正常工作電壓指標為20～29 V，實際電壓范圍在18～30 V區(qū)間.如果用測量電源接口輸出電流的簡易方法(這種方法假定供電電壓基本不變)來檢測汽車電器的功耗，顯然達不到檢測目的，因此，要準確測量該系統(tǒng)的功率，必須同時測量出某一時刻的電壓和電流.但這樣對電流和電壓就需要設計相應的傳感器信號電路，還要考慮電壓寬范圍的波動因素，硬件設計變得復雜.設計中采用了適用寬電壓(7 V至80 V)輸入的、能同時在線測量電壓和電流的專用功率檢測芯片LTC4151作為功率監(jiān)控的主要部件，有效的解決了汽車這種高瞬變環(huán)境中的電源功率檢測，簡化了相應的電壓和電流檢測電路的設計，硬件電路簡潔、可靠.

1 電源埠的硬件設計

該項設計為小型汽車+12 V的電源擴展接口.從汽車的+12 V供電母線上，擴展出3路帶功率檢測的電源接口(接口端子為JP1～JP3).擴展接口帶有一個顯示文字信息的小塊LCD液晶顯示屏、指示各自接口O狀態(tài)的三個紅/綠雙色LED，以及一個對報警功率門限值進行調(diào)整的按鍵.

系統(tǒng)的硬件電路原理如圖1所示.

圖1 電源埠硬件原理圖

汽車系統(tǒng)的+12 V母線分別連接到三個以LTC4151芯片為核心的功率檢測單元，并通過0.005 Ω、2 W的電流檢測電阻連接到接口的插座孔(JP1～JP3)上.車載電器插入到JP1～JP3中獲取電源(實際使用中，用戶可以在單個接口上并接多個車載電器).單片機MCU及LCD、雙色二極管LED0～LED3、蜂鳴器B0、按鍵S0、存儲器AT24LC01構(gòu)成系統(tǒng)的管理單元.+12 V轉(zhuǎn)+3.3 V的穩(wěn)壓電源模塊為MCU單片機、LCD液晶顯示器等提供+3.3 V供電.

1.1 功率采集單元

設計中采用了三片LTC4151分別對三路輸出電源進行檢測.如圖1中的IC1～IC3.

LTC4151是凌力爾特(Linear Technology)推出一款高壓端功率監(jiān)視器[2]，該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及典型應用電路如圖2所示.該產(chǎn)品可測量電流以及7 V至80 V之輸入電壓.LTC4151利用本身內(nèi)部12位ADC，可連續(xù)測量高壓端電流與輸入電壓，以提供一個真實的功率值.LTC4151的功率測量單芯片解決方案，適用于寬廣輸入范圍下測量輸入功率，非常適合于12 V或24 V的汽車電子行業(yè)或48 V電源系統(tǒng)的通訊電子行業(yè)應用.LTC4151的Vin既是電壓輸入引腳，也是芯片的供電電源引腳.SENSE+與SENSE-腳之間為0.005 Ω、2 W的功率采樣電阻，根據(jù)所帶負載不同，此采樣電阻兩端的電壓也會隨之變化，其最大電壓范圍為81.92 mV.ADCIN引腳為第三個ADC采樣輸入，可采樣范圍為0～2.048 V，設計中此引腳沒有用來采樣電壓，直接作接地處理.SHDN引腳為器件關(guān)閉使能引腳，低電平有效.該引腳在片內(nèi)被上拉為6.3 V，使用中不能將器件關(guān)閉，因此將該引腳作懸空處理.

圖2 LTC4151片內(nèi)結(jié)構(gòu)及典型應用電路

數(shù)據(jù)通信是通過I2C來進行的，SDA為數(shù)據(jù)引腳，SCL為時鐘引腳.在與MCU的通信中，LTC4151為從器件，MCU為主器件.LTC4151有9個設備地址可供選擇，其地址由ADR1與ADR0兩根地址引腳來決定.每個地址引腳有3種狀態(tài)：高電平H、低電平L、懸空NC，當ADR1或ADR0引腳懸空NC為不確定狀態(tài)時，被認為是一個地址狀態(tài)，因此這兩個引腳一共可解析為9種地址.TLC4151的地址解析如表1所示.MCU通過寫入地址信息，才能與對應的LTC4151芯片通信.

表1 LTC4151器件地址設置

功率采集單元與微控制器MCU的硬件接口電路如圖1所示.圖1中的硬件連接由三片LTC4151組成，其中(1)～(3)的地址依次為：DEH、CEH和D2H.輸入電源Vin由汽車系統(tǒng)+12 V電源母線提供；電流采樣電阻串聯(lián)在負載工作的主回路上，LTC4151通過檢測到采樣電阻兩端的電壓，計算出負載上流過的電流，再與采樣到的Vin相乘便可得出實時功率.再由MCU實時計算出三路功率輸出總和.

1.2 系統(tǒng)管理單元

系統(tǒng)的功率檢測和附件過載判斷由MCU微處理器P89LV51RD2單片機來管理.P89LV51RD2是NXP公司生產(chǎn)的一款增強型MCS51系列單片機，片內(nèi)包含64 kB Flash和1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，可在+3 V電源電壓下工作，工作頻率最高可達33 MHz.其典型特點是設計者可選擇以傳統(tǒng)的80C51時鐘頻率(每個機器周期包含12個時鐘)或X2方式(每個機器周期包含6個時鐘)的時鐘頻率運行.為了保存功率過載報警門限值等相關(guān)參數(shù)，擴展了1 kbit容量的I2C串行EEPROM器件AT24LC01，用P89LV51RD2單片機的I/O腳P2.0、P2.1模擬串行口對AT24LC01進行讀寫操作.

LCM顯示模塊cog12864A為內(nèi)嵌控制器ST7920的點陣式液晶顯示屏.COG(Chip on Glass)顯示模塊將控制芯片直接綁定在顯示玻璃基片上，這種安裝方式可以大大減小LCD模塊的體積.這種COG液晶顯示模塊以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到了廣泛的應用.該項設計中cog12864A模塊，128×64點陣可顯示4行16個字符，用來顯示系統(tǒng)的三個接口端子JP1～JP3的實時功耗及總功耗信息，并提示汽車系統(tǒng)車載附件用電負荷超載狀況.cog12864A和MCU以SPI串行總線相連，簡化了硬件連線.

LED0、LED1、LED2三個紅/綠雙色二極管，分別連接到MCU的P1.0～P1.5引腳.用來直觀顯示三個電源接口端子JP1～JP3的工作狀態(tài).如當接口端子JP1有電器負載接入，LED0發(fā)綠光常亮.若三路總負荷過載時，輸出功率最大的一路LED指示燈發(fā)紅光警示，告知用戶從負荷最重的接口端子或其他工作的接口端子上移除外接的車載電器.

采用連接到MCU I/O口P1.6的獨立式按鍵S0作為總功率報警臨界值設置.長按S0進入臨界值P_alarm設置狀態(tài)，隨后每短按一次(間隔時間在1 s以內(nèi))調(diào)整一次臨界值P_alarm，調(diào)整結(jié)束后間隔4 s以上再長按S0完成對臨界值P_alarm的確認(間隔4 s以上短按S0則取消本次數(shù)據(jù)設置)，并將確認的臨界值P_alarm保存到擴展的串行EEPROM器件AT24LC01中.

MCU通過I2C與LTC4151進行通信，從而讀出電源接口的功率并計算總功率.同時，用戶可以通過按鍵設置最大功率門限P_alarm.MCU將通過LTC4151測得的總功率與此功率門限P_alarm進行比較，當總功率超載時，三路輸出中輸出功率最大的一路的LED報警指示燈會呈紅色點亮，同時LCD屏上會有詳細負載功率信息顯示.

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，并在keil環(huán)境中編譯調(diào)試[3].

為實現(xiàn)接口的設計功能，在系統(tǒng)軟件實現(xiàn)中，使用了一個定時器中斷資源.使用P89LV51RD2的片內(nèi)定時器timer0用作1 ms定時，并結(jié)合定時器中斷，通過在定時器中斷服務程序中重啟下一個1 ms定時，來得到的1 ms的連續(xù)定時信號，并將此信號作為整個軟件調(diào)度使用的全局時鐘G_timer_1 ms.

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示.在完成LCD顯示屏、LED指示燈、定時器及中斷等相關(guān)外設的初始化后，MCU進入反復運行空指令_nop_()的死循環(huán)狀態(tài).接口埠的監(jiān)控管理實際上都在timer0定時器的1 ms中斷服務程序中進行.

接口的功率監(jiān)測周期為500 ms.定時器timer0每進一次1 ms的定時器中斷，全局變量G_timer_1 ms的值增加“1”.當G_timer_1 ms的值為500的整數(shù)倍時(間隔周期為500 ms),調(diào)用一次事務處理子程序.在事務處理子程序EvProc_subr()中，完成對三路接口端子瞬時輸出功率的測量、總輸出功率計算、警戒功率比較、報警顯示處理等監(jiān)控任務.事務處理子程序流程圖如圖4所示.

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

圖4 事務處理子程序流程圖

S0獨立按鍵的鍵盤管理采用了“定時器中斷-計數(shù)”法[4].在全局時鐘G_timer_1 ms的驅(qū)動下，結(jié)合按鍵的即時狀態(tài)并對中斷次數(shù)計數(shù)來實現(xiàn)對按鍵長/短按識別、去抖動處理，從而實現(xiàn)總輸出功率報警臨界值P_alarm的設定和確認保存.在長按S0進入設置狀態(tài)后，每短擊一次S0，設置值可在預置的5個預設值當中循環(huán)切換，選擇預設值之后，保持4 s以上時間不擊鍵，再以長按S0的操作確認所選取的預設值作為總功率報警臨界值P_alarm，該值同時會被保存到存儲器AT24LC01中.

3 結(jié) 語

綜上所述，LTC4151的采用，有效的解決了汽車供電電壓高瞬變這種復雜環(huán)境下的電源監(jiān)測問題，電壓、電流信號可直接連接到芯片上進行測量，減少了硬件配置，使得硬件設計十分簡潔.與采用分立組件和其它電源監(jiān)視器的傳統(tǒng)實施方法比較，在復雜性、功能或性能方面都有著很明顯的優(yōu)勢.

參考文獻：

[1]John M.Mille.用電附件過載引發(fā)汽車電源設計新思考[DB/OL].http://www.21ic.com/app/auto/201001/52828.htm，2010-12-08.

[2]Linear Tech LTC4151-High Voltage I2C Current and Voltage Monitor [DB/OL].http://cds.linear.com/docs/Datasheet/4151fc,2008-10-29.

[3]馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]郭建，張新政.DSP系統(tǒng)中鍵盤處理的一種新方法[J].半導體技術(shù)，2003，28(1)：53-55.