王 琢，吳細秀，魏洪濤，謝 洵，周 偉

(武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070)

目前，在設(shè)計電子產(chǎn)品時通常采用電池供電。在使用電池供電時，電池的當前狀態(tài)是用戶所關(guān)心的，如手機、筆記本電腦等都能實時顯示當前的電量狀態(tài)。鋰電池是整個災(zāi)害應(yīng)急救生艙的能量來源，因此，電池余量的對實時監(jiān)測就顯得格外重要。為了實現(xiàn)上述要求，本文提出了一種基于DS2438智能電池監(jiān)視芯片的電池電量監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了對剩余電量的實時監(jiān)測，并將測量數(shù)據(jù)傳送至上位機。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、功耗低的特點。經(jīng)測試，該系統(tǒng)符合災(zāi)害應(yīng)急救生艙的基本要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

災(zāi)害應(yīng)急救生艙中采用的電池是由若干節(jié)鋰電池串聯(lián)而成的鋰電池組。本系統(tǒng)監(jiān)測的鋰電池組為75 A時，電壓為24 V，最大電流為15 A。傳統(tǒng)的電池組電量測量方案是在單節(jié)電池上裝傳感器，分別測量每節(jié)電池的電量信息，并利用開關(guān)進行分段循環(huán)檢測，最后計算出整個電池組的電量信息。其缺點是測量周期長、硬件電路復(fù)雜、穩(wěn)定性低[1]。

本測量方案是將整個鋰電池組視為一個監(jiān)測單元，采用電流變送器將大電流轉(zhuǎn)換成0～20 mA的小電流信號，再利用DS2438智能電池監(jiān)測芯片進行放電電流、端電壓以及剩余電量的測量。硬件系統(tǒng)由監(jiān)測模塊、控制模塊和通信模塊組成。監(jiān)測模塊是系統(tǒng)的核心，由DS2438及其外圍電路構(gòu)成;控制模塊采用ATmega 16單片機，該單片機具有運算速度快、片上資源豐富等優(yōu)點;通信模塊采用RS232串口與上位機進行通信。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 DS2438智能電池監(jiān)視芯片

DS2438芯片是MAXIM公司推出的新一代智能鋰電池監(jiān)測芯片，集數(shù)據(jù)采集、信息儲存、安全保護于一身，具有功能強大、硬件接線簡單等特點。它可以完成對電池當前狀態(tài)的監(jiān)測[2]，包括當前電池的充/放電狀態(tài)、電壓、電流、溫度和剩余電量等參數(shù)的監(jiān)測。DS2438芯片能自動采集這些數(shù)據(jù)，并將其放在存儲器中。DS2438的引腳封裝如圖2所示。

DS2438各引腳功能如表1所示。

表1 DS2438引腳功能

1.3 系統(tǒng)硬件電路工作原理

系統(tǒng)控制器采用ATmega16單片機，該單片機具有16 KB的 系 統(tǒng) 內(nèi) 可 編 程 Flash、512 B EEPROM、1 KB SRAM、32個通用 I/O口和 32個通用工作寄存器；其用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程；外設(shè)包括3個具有比較模式的定時器/計數(shù)器、片內(nèi)/外中斷、可編程串行USART、有起始條件檢測器的通用串行接口、8路10 bit具有可選差分輸入級可編程增益的ADC、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、一個SPI串行端口,以及6個可以通過軟件進行選擇的省電模式[3]。

如圖3所示，CHS-20ADS/A0為電流變送器,它能將20 A的電流轉(zhuǎn)換至0～20 mA的標準信號;R1為采樣電阻；R2和C1構(gòu)成低通濾波器，可以消除電流尖峰的影響，使電流累加器正確反映流出、流入電池的總電荷[4];DS2438通過檢測采樣電阻R1兩端的電壓來獲取放電電流和剩余電量的數(shù)據(jù)；R3和R4是一個3:1的分壓電路;DS2438通過檢測R4兩端的電壓來獲取電池的端電壓;J1為接負載的插座。

系統(tǒng)上電后，先對DS2438進行初始化。DS2438內(nèi)部有10 bit A/D轉(zhuǎn)換器，輸入為VAD端。當單片機向DS2438發(fā)出采集電壓控制命令時，ADC工作，將 VAD端所測電壓存入DS2438內(nèi)的電壓寄存器。VAD端可測得的最高電壓為10.23 V，因此，在DS2438前加了1:3的分壓電路。電流測量不需要單片機發(fā)出控制命令，DS2438每27.45 ms測量一次 Vsens+和 Vsens-兩端的壓差(Vsens=Vsens+-Vsens-)，然后將其轉(zhuǎn)換成電流存入DS2438內(nèi)的電流寄存器。電池的剩余電量可用電流累加寄存器（ICA）的值求得，DS2438通過對流過R1的電流進行累加來監(jiān)測鋰電池的放電量。ICA的值是由DS2438自動測量電池電流后更改的。單片機等待其采樣完畢后，讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

為了滿足系統(tǒng)的可擴展性，系統(tǒng)采用單片機串口中斷的方式訪問DS2438，進行電池參數(shù)的采集。首先對單片機的串口進行初始化，當上位機通過串口向單片機發(fā)送指令A(yù)時，電壓標志置位，進行讀電壓的操作；當上位機發(fā)送指令B時，電流標志置位，進行讀電流的操作；當上位機發(fā)送指令C時，電量標志置位，進行讀電量的操作。最后單片機通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

2.2 剩余電量采集子程序設(shè)計

由于DS2438為單總線芯片，每次進行RAM操作前要先進行ROM操作。當執(zhí)行讀剩余電量子程序時，首先調(diào)用存儲數(shù)據(jù)，將EEPROM/SRAM中的數(shù)據(jù)拷貝到暫存器scratchpad中;然后進行read scratchpad操作，將暫存器中的數(shù)據(jù)讀出來;最后再用電池的總電量減去累計消耗的電量，即可得到當前的剩余電量。剩余電量采集子程序流程圖如圖5所示。放電電流、端電壓的采集和剩余電量的采集類似。

3 通信模塊設(shè)計

電池電量監(jiān)測系統(tǒng)與上位機之間采用RS232串口通信，上位機向電池電量監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送指令，系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作，然后將測量數(shù)據(jù)傳送至上位機。單片機本身提供了一組全雙工串行傳輸接口，由TXD引腳傳送數(shù)據(jù)，RXD引腳接收數(shù)據(jù)，但因其工作邏輯電平皆為TTL電平，故單片機與上位機之間的數(shù)據(jù)通信必須要經(jīng)過 RS232信號電平的轉(zhuǎn)換[5]。本系統(tǒng)使用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，只要加4只電容就能完成接口電平的轉(zhuǎn)換。硬件電路如圖6所示。其中，MAX232芯片的9、10腳與單片機連接，J2為通信接口，可以與上位機通信。

4 測試結(jié)果

本系統(tǒng)設(shè)計完成后，安裝在災(zāi)害應(yīng)急救生艙內(nèi)，對艙載電子系統(tǒng)進行剩余電量的實時監(jiān)測，將剩余電量百分比和續(xù)航時間顯示在上位機的屏幕上，供用戶參考。到目前為止，監(jiān)測效果良好，放電時間與實際定時測量結(jié)果吻合。部分實驗測試結(jié)果如表2所示。

表2 部分測試結(jié)果

本文設(shè)計開發(fā)了一種基于DS2438智能電池監(jiān)視芯片的電池剩余電量監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電池組剩余電量的實時監(jiān)測及對測量數(shù)據(jù)的傳輸。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、擴展性好，具有較強的實用性。

[1]戰(zhàn)詳真，劉和平，楊飛．基于CAN網(wǎng)絡(luò)的磷酸鐵鋰動力電池管理系統(tǒng)的實現(xiàn)[J]．低壓電器，2011(22)：27-31．

[2]嚴佳朋，王大志，金有超．基于 DS2438的大功率蓄電池狀態(tài)監(jiān)測[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011，11(3)：40-42．

[3]李泓．AVR單片機入門與實踐[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2002．

[4]張志國，孔慶，崔納新．電動汽車電池組監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J]．電源技術(shù),2010，35(10)：1224-1226．

[5]周興華．AVR單片機 C語言高級編程設(shè)計[M]．北京：中國電力出版社，2001．