李見(jiàn)敏，史更新，許 薇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

基于51單片機(jī)的能源管理系統(tǒng)智能單元的設(shè)計(jì)

李見(jiàn)敏，史更新，許 薇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

臨近空間作為不可忽視的資源，其重要的開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值在國(guó)際上引起廣泛關(guān)注。能源供給系統(tǒng)是臨近空間飛行器的重要組成分部分。建立智能電源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理以及能量的有效分配，顯得尤為重要。設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)80C32E的智能電源管理系統(tǒng)，著重介紹了和臨近空間環(huán)境特點(diǎn)相關(guān)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件架構(gòu)。該系統(tǒng)完成對(duì)電源系統(tǒng)重要參數(shù)的采集和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析、上傳，以及蓄電池組的充放電控制等功能?？紤]到臨近空間飛行器的空間環(huán)境對(duì)電源系統(tǒng)高可靠度的要求，采用雙機(jī)冷備份的方式，從而確保了飛行器的能源供給。

臨近空間；80C32E單片機(jī)；能源管理系統(tǒng)；能源供給

目前，臨近空間的重要開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值在國(guó)際上引起了廣泛關(guān)注。臨近空間飛行器在近空間作長(zhǎng)期、持續(xù)飛行，或在亞軌道飛行，或進(jìn)行高聲速巡航，具有航空、航天飛行器所不具備的作用，特別是在通信保障、情報(bào)收集、電子壓制、預(yù)警等方面極具發(fā)展?jié)摿1]。

世界各國(guó)提出了多種臨近空間飛行器發(fā)展方案，研究的熱點(diǎn)集中在平流層飛艇、浮空氣球和高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)上。其中，平流層飛艇是地球同步衛(wèi)星之外另一種重要的定點(diǎn)平臺(tái)。能源供給系統(tǒng)是飛艇的重要組成系統(tǒng)。本文針對(duì)臨近空間環(huán)境特點(diǎn)，為平流層飛艇的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種智能管理單元(也可簡(jiǎn)稱(chēng)為下位機(jī))。該單元將采集到的系統(tǒng)參數(shù)上傳至艇務(wù)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)，并且接收艇務(wù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的直接和間接遙控指令，完成對(duì)電源系統(tǒng)中功率開(kāi)關(guān)的控制。

1 系統(tǒng)工作原理

智能管理單元采用以80C32E單片機(jī)為核心的微處理器系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙機(jī)冷備份的方式，以保證系統(tǒng)工作的可靠性。

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、地址譯碼電路、遙測(cè)參數(shù)采集電路和指令輸出電路組成。

圖1 智能管理單元(單機(jī))工作原理框圖

圖1體現(xiàn)了CPU的最小系統(tǒng)的架構(gòu)方式，外設(shè)和存儲(chǔ)器采用部分地址譯碼方式訪問(wèn)，外部存儲(chǔ)器工作在復(fù)用方式，即數(shù)據(jù)總線和地址總線的低8位共享相同的端口引腳。該系統(tǒng)主要通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要參數(shù)，如蓄電池單體電壓和總電壓、母線電壓、充放電電流等，完成對(duì)蓄電池組的充放電管理，從而保證了飛行器在臨近空間環(huán)境的能量有效分配和供給。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 雙機(jī)冷備份設(shè)計(jì)

考慮到電源系統(tǒng)在臨近空間飛行器中的重要性，智能管理單元采用雙機(jī)冷備份的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)上電時(shí)，默認(rèn)A機(jī)工作；如果主機(jī)工作異常，艇務(wù)計(jì)算機(jī)發(fā)送直接指令“B加A斷”，此時(shí)，B機(jī)工作，系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。

在冷備份方式下，同一時(shí)刻只有一個(gè)下位機(jī)工作。通過(guò)艇務(wù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的直接指令切換下位機(jī)電源實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)思路。圖2為直接指令接口示意圖。該電路中，當(dāng)“A加B斷”指令有效，繼電器線圈帶電，觸點(diǎn)向著帶電線圈的方向吸合，A機(jī)電源有效，B機(jī)無(wú)效。此時(shí)，下位機(jī)A機(jī)工作。

圖2 直接指令接口示意圖

雙機(jī)冷備份的設(shè)計(jì)方式提高了電源系統(tǒng)的可靠性。

2.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

看門(mén)狗復(fù)位和RC上電復(fù)位共同組成了下位機(jī)的復(fù)位系統(tǒng)。圖3所示為單片機(jī)復(fù)位電路。

圖3 單片機(jī)復(fù)位電路

單片機(jī)在開(kāi)機(jī)時(shí)都需要復(fù)位，以便中央處理器CPU和其他功能部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。MCS-51單片機(jī)的RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，持續(xù)時(shí)間要在24個(gè)時(shí)鐘周期以上。RC值的選取決定了上電復(fù)位時(shí)間。

看門(mén)狗復(fù)位是為避免軟件陷阱，防止程序跑飛導(dǎo)致下位機(jī)工作異常。以硬件看門(mén)狗芯片MAX813為核心構(gòu)成的復(fù)位系統(tǒng)。利用單片機(jī)的P1口信號(hào)作為看門(mén)狗芯片WDI的輸入端。如果看門(mén)狗輸入在1.6 s內(nèi)無(wú)變化，就會(huì)產(chǎn)生看門(mén)狗輸出。

RC復(fù)位和看門(mén)狗復(fù)位任何一個(gè)有效都會(huì)觸發(fā)單片機(jī)的復(fù)位引腳。

2.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

下位機(jī)采集到的系統(tǒng)參數(shù)有模擬量和數(shù)字量?jī)煞N。功率管的狀態(tài)(接通為“1”，高電平；斷開(kāi)為“0”，低電平)作為數(shù)字量，可以直接用總線驅(qū)動(dòng)器74HC245讀取。圖4所示為狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路。

圖4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路

需要注意的是，雙機(jī)冷備份的系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)量采集涉及到阻抗分配的問(wèn)題。當(dāng)主備機(jī)的狀態(tài)檢測(cè)電路的兩個(gè)輸入端共點(diǎn)時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)狀態(tài)信號(hào)從一個(gè)物理線連接到兩個(gè)檢測(cè)電路輸入端，使用漏極開(kāi)路方式可以防止不同器件之間的爭(zhēng)用。此時(shí)，需要把未工作的下位機(jī)的總線驅(qū)動(dòng)器的輸出使能禁止，才可以使?fàn)顟B(tài)量無(wú)失真地被采集到；否則，0～5 V信號(hào)幅度被減半，系統(tǒng)的狀態(tài)量信息就不能被準(zhǔn)確地反映。

2.4 脈沖控制電路設(shè)計(jì)

對(duì)于雙機(jī)冷備份下位機(jī)系統(tǒng)的脈沖控制電路而言，主備機(jī)的脈沖輸出端口可以連接到同一個(gè)物理線。圖5為脈沖輸出電路原理圖。該部分電路的設(shè)計(jì)思路是：先輸出電平信號(hào)，再把電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)。

圖5 脈沖輸出電路

如圖5所示，74HC374的片選使能后，數(shù)據(jù)線D0A～D7A的數(shù)據(jù)信號(hào)被鎖存至其輸出端，信號(hào)經(jīng)過(guò)反向、RC電路，最后被施密特觸發(fā)器整形后，作為最終的脈沖信號(hào)輸出至后端功率電路。其中，RC電路的作用是高通濾波，經(jīng)過(guò)RC濾波后的信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)負(fù)尖峰；施密特觸發(fā)器的作用是脈沖整形、反向。

需要特別注意的是，下位機(jī)軟件的啟動(dòng)時(shí)間晚于下位機(jī)硬件的上電時(shí)間。那么，在硬件上電后軟件啟動(dòng)前的這段時(shí)間內(nèi)，下位機(jī)的控制電路應(yīng)該是被禁止的。具體說(shuō)就是，所有控制電路的鎖存器、觸發(fā)器的輸出使能端OE引腳應(yīng)該是高電平。當(dāng)系統(tǒng)上電后(系統(tǒng)的硬件上電時(shí)間與復(fù)位RC時(shí)間常數(shù)有關(guān))，OE引腳變?yōu)榈碗娖?，輸出使能有效?/p>

圖5中OE引腳的信號(hào)是“IO_RSTA”，該信號(hào)是單片機(jī)復(fù)位信號(hào)(圖3中位“RSTA”)經(jīng)過(guò)兩個(gè)施密特觸發(fā)器的延時(shí)得到的。兩個(gè)施密特觸發(fā)器的延時(shí)時(shí)間增加了系統(tǒng)的可靠性。

2.5 電平控制電路設(shè)計(jì)

對(duì)于雙機(jī)冷備份下位機(jī)系統(tǒng)的電平控制電路而言，涉及到多個(gè)器件引腳有共享連接的問(wèn)題，即多個(gè)輸出連接到同一個(gè)物理線。

如圖6所示，74HC573的片選使能后，數(shù)據(jù)線D0A～D7A的數(shù)據(jù)信號(hào)被鎖存至其輸出端。鎖存器的OE引腳的時(shí)序與上電復(fù)位信號(hào)的關(guān)系在2.4小節(jié)已闡述。

圖6 電平輸出電路

如果主備機(jī)的電平控制信號(hào)連接到同一個(gè)物理線，會(huì)引起不同器件之間的爭(zhēng)用。具體來(lái)講，如果下位機(jī)A機(jī)的一條指令輸出端口為高電平，而B(niǎo)機(jī)此時(shí)不工作(B機(jī)所有芯片的供電電源接地)，但是B機(jī)的電平控制電路的鎖存器輸出端被強(qiáng)制拉高，這種情況在電路設(shè)計(jì)中是不允許的。

為了解決上述問(wèn)題，需要增加接口電路設(shè)計(jì)。圖7為電平控制電路設(shè)計(jì)示意圖。為防止不同器件之間的爭(zhēng)用，下位機(jī)最終的電平指令輸出信號(hào)是由主備機(jī)的鎖存器輸出信號(hào)的邏輯或運(yùn)算之后得到的。也就是說(shuō)，下位機(jī)電平指令的發(fā)出需要經(jīng)過(guò)二級(jí)鎖存。主機(jī)或備機(jī)的電平輸出電路與后端的或門(mén)和鎖存器構(gòu)成下位機(jī)的電平控制電路。由圖7可以看出，主備機(jī)的電平指令互不影響。

OCTA是一種非侵入性的快速成像技術(shù)，可獲取較清晰的視盤(pán)及黃斑區(qū)分層視網(wǎng)膜血流成像，并能量化分析視盤(pán)和黃斑的血流情況，已廣泛應(yīng)用于視神經(jīng)疾病、視網(wǎng)膜疾病的診治及病情監(jiān)測(cè)[8]。NAION患者急性期視盤(pán)水腫，pRNFL增厚，6～12周后逐漸萎縮、變薄[2]，因此本研究納入病程＞3個(gè)月的NAION患者，且患者的年齡、性別、SE、眼壓與正常對(duì)照組均無(wú)明顯差異，排除了年齡、性別、近視、眼壓變化及視盤(pán)水腫對(duì)視盤(pán)和視網(wǎng)膜血流檢測(cè)的影響。

圖7 電平控制電路設(shè)計(jì)示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 基本設(shè)計(jì)概念

軟件采用中斷驅(qū)動(dòng)加順序編程的控制流程。軟件為單任務(wù)運(yùn)行模式，軟件不采用操作系統(tǒng)[2]。電源控制器上電后機(jī)軟件首先執(zhí)行部分初始化功能，然后進(jìn)入主循環(huán)，周期性的進(jìn)行模擬量的采集、狀態(tài)量的讀取、自主控制管理、電源控制器以及遙測(cè)的組幀發(fā)送等操作；智能管理單元還需要通過(guò)RS422串口總線控制器接收通過(guò)串口發(fā)送過(guò)來(lái)的各種指令，經(jīng)解析后進(jìn)行響應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行。

3.2 功能模塊分解

根據(jù)功能需求以及模塊化的分解原則，結(jié)合軟件的處理流程，將軟件劃分為以下主要模塊：

系統(tǒng)初始化模塊：SYS_INIT

循環(huán)執(zhí)行模塊：MAIN_LOOP

時(shí)鐘中斷響應(yīng)模塊：TIMER_INTP

遙測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊：RS_COL

遙測(cè)數(shù)據(jù)組幀模塊：FRM_BLD

充電自控管理模塊：CHAR_SELF_MNG

過(guò)放自控管理模塊：DISCHAR_SELF_MNG

指令解析執(zhí)行模塊：CMD_PROC

指令執(zhí)行模塊：SW_EXCT

自動(dòng)接通充電開(kāi)關(guān)模塊：CHAR_SW_AUTOON

各模塊的調(diào)用關(guān)系如圖8所示。

圖8 模塊調(diào)用關(guān)系結(jié)構(gòu)

3.3 軟件運(yùn)行控制

當(dāng)下位機(jī)加電或者重啟時(shí)，首先執(zhí)行初始化模塊。

初始化模塊執(zhí)行完成之后，進(jìn)入到循環(huán)執(zhí)行模塊。循環(huán)執(zhí)行模塊按照一定順序和要求依次重置WDT、調(diào)用遙測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊、遙測(cè)數(shù)據(jù)組幀模塊、充電自控管理模塊、過(guò)放自控管理模塊和指令解析模塊，同時(shí)還要執(zhí)行放電開(kāi)關(guān)初始化模塊。

在循環(huán)執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)有串口中斷發(fā)生時(shí)，下位機(jī)將掛起當(dāng)前正在運(yùn)行的模塊，轉(zhuǎn)而執(zhí)行串口中斷響應(yīng)模塊。

在循環(huán)執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)有時(shí)鐘中斷發(fā)生時(shí)，下位機(jī)將掛起當(dāng)前正在運(yùn)行的模塊，轉(zhuǎn)而執(zhí)行時(shí)鐘中斷響應(yīng)模塊。時(shí)鐘中斷響應(yīng)模塊執(zhí)行對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)功能[3]。

中斷返回后，循環(huán)執(zhí)行模塊將恢復(fù)先前掛起的任務(wù)模塊，繼續(xù)執(zhí)行。

軟件的控制流和數(shù)據(jù)流如圖9所示。

4 結(jié)論

隨著信息和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，臨近空間飛行器將朝著自動(dòng)化方向發(fā)展[4]。電源系統(tǒng)作為飛艇的關(guān)鍵組成部分，電源下位機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)尤為重要。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求，在小型化和智能化方面還有完善的空間。電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及抗輻照等級(jí)高、滿足軍溫條件的智能化芯片的問(wèn)世，將進(jìn)一步提高電源系統(tǒng)的性能。臨近空間飛行器在軍事上的廣泛應(yīng)用將指日可待。

圖9 數(shù)據(jù)流和控制流

[1]孫德全，黃才勇.空間鋰離子蓄電池的特點(diǎn)及其管理模式[J].電源技術(shù)，2005(10)：1609-1613.

[2]羅霄.基于VxWorks平臺(tái)的衛(wèi)星電源分系統(tǒng)下位機(jī)軟件的研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2009：16-36.

[3]葉衛(wèi)東，孫芳方，錢(qián)銳.衛(wèi)星電源數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代制造工程，2011(9)：33-35.

[4]王平，孫寧，李華旺，等.小衛(wèi)星星載容錯(cuò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)[J].宇航學(xué)報(bào)，2006(3)：42-46.

Design of intelligent unit in power manage system based on 51 single-chip microcomputer

LI Jian-min,SHI Geng-xin,XU Wei
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

As the crucial resource,the important value of near space in exploitation and application brings extensive attention internationally. Power supply system is an important part of aircraft in near space. Accordingly, it is important to establish intelligent power manage system,implement on-line inspecting status of power system and real-time transacting of data. A kind of intelligent power manage system based on single-chip microcomputer 80C32E was designed,and the design of hardware and software in near space environment was introduced.The system could complete collection of the main parameters and real-time analyzing and uploading of data in power system as well as the charging and discharging control.Considering the environment of near space aircraft is strict with power system in reliability,the method of double machine cooling in asynchronous time was adopted to ensure the power supply of aircraft.

near space;80C32E single-chip microcomputer;power manage system;power supply

TM 76

A

1002-087 X(2015)08-1733-03

2015-01-08

李見(jiàn)敏(1985—)，女，天津市人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娫聪到y(tǒng)下位機(jī)。