王鳳國(guó)，付進(jìn)軍，朱小波，張春雷

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076）

基于MC9S12D64的車載直流智能配電時(shí)序器設(shè)計(jì)

王鳳國(guó)*，付進(jìn)軍，朱小波，張春雷

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076）

為滿足應(yīng)急指揮車上低壓直流用電儀器設(shè)備的配電時(shí)序要求，提高配電操作的靈活性，實(shí)現(xiàn)多路直流負(fù)載的分布式智能配電，設(shè)計(jì)了一種車載直流智能配電時(shí)序器。該時(shí)序器以MC9S12D64為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了開機(jī)時(shí)序配電，指令時(shí)序配電，供電參數(shù)監(jiān)測(cè)，并聯(lián)或者串聯(lián)擴(kuò)容等功能，結(jié)合最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度。應(yīng)用表明，該時(shí)序器信號(hào)采集誤差不超過1%，實(shí)時(shí)性好，通用性強(qiáng)，運(yùn)行可靠，應(yīng)用前景廣闊。

時(shí)序器；智能配電；MC9S12D64；最小二乘法；CAN總線

為了實(shí)現(xiàn)車載儀器設(shè)備的供電，車載供配電系統(tǒng)配有車載電源分配器，該分配器多為近程手動(dòng)操作，操作不夠靈活，功能單一，無(wú)法對(duì)輸入、輸出供電參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨著應(yīng)急指揮車車載儀器設(shè)備增加，以及配電多樣化的需求，整個(gè)車載供配電系統(tǒng)的供電輸入、配電方式及配電時(shí)序變得越來越復(fù)雜，常規(guī)的電源分配器已無(wú)法滿足車載儀器設(shè)備對(duì)配電時(shí)序、配電方式的需求，為提高車載電源分配器的智能化、信息化、通用化和系列化，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車載儀器設(shè)備用電情況，滿足直流用電負(fù)載的配電時(shí)序要求，提高配電操作的靈活性、可靠性和可維修性。設(shè)計(jì)了一種能夠兼容24 V和12 V直流的智能配電時(shí)序器，該時(shí)序器通過在線更改CAN總線節(jié)點(diǎn)號(hào)，可實(shí)現(xiàn)時(shí)序器的并聯(lián)或者串聯(lián)擴(kuò)容，從而提高了產(chǎn)品的可擴(kuò)展性。

1 總體方案設(shè)計(jì)

車載供配電系統(tǒng)的供電輸入有市電、發(fā)電機(jī)、UPS以及功率蓄電池，其中功率蓄電池（24 V或12 V）直接接入時(shí)序器，為備路供電；而市電、發(fā)電機(jī)、UPS經(jīng)AC/DC電源變換為直流后接入時(shí)序器，為主路供電，供配電系統(tǒng)連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 車載供配電系統(tǒng)連接關(guān)系圖

時(shí)序器工作時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主備路供電情況，根據(jù)主路供電優(yōu)先原則進(jìn)行輸入供電，通過CAN總線配置的輸出切換時(shí)間、配電方式、配電指令和采集的時(shí)序器輸入供電參數(shù)情況，實(shí)現(xiàn)車載儀器設(shè)備的時(shí)序配電。同時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載用電情況，并經(jīng)CAN總線定時(shí)上傳采集的電壓、電流、工作狀態(tài)及各路配電輸出情況等參數(shù)。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能和要求，時(shí)序器主要包括功率配電部分和控制部分，功率配電完成主備路供電切換（2選1控制）、時(shí)序輸出配電切換、面板顯示，主要由主備路供電切換電路、驅(qū)動(dòng)控制電路、開關(guān)電源和指示燈顯示組成?？刂撇糠滞瓿刹杉瘮?shù)據(jù)的運(yùn)算和標(biāo)定、上電電路自診斷、關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、總線節(jié)點(diǎn)配置、各種算法的實(shí)現(xiàn)、輸出邏輯控制，以及與主機(jī)的通信，包括數(shù)據(jù)采集電路、上電自診斷電路、總線通信電路等，主要由控制器及其外圍擴(kuò)展電路實(shí)現(xiàn)，電路總體框圖如圖2所示。

圖2 時(shí)序器電路總體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

時(shí)序器采用NXP公司的16 bit控制器MC9S12D64，該芯片是應(yīng)用于汽車、工業(yè)控制領(lǐng)域的一款集成度較高、功能強(qiáng)大的控制器，具有豐富的片上資源，如：64k bytes Flash，4k bytes RAM，16 bit 4路PWM，8路10 bit A/D，25 mA驅(qū)動(dòng)能力的I/O端口，CAN2.0B通信接口和通用SCI接口［1］?？蓪?shí)現(xiàn)時(shí)序器所需的控制、監(jiān)測(cè)、通信、運(yùn)算和存儲(chǔ)等功能。

2.1 開關(guān)電源供電電路

時(shí)序器輸入主回路電壓為24 V或12 V，控制器供電選自主回路，為了給控制器及其外圍擴(kuò)展電路提供穩(wěn)定的5 V電源，文中采用buck開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)，主芯片選用TI公司的LM2678，該芯片能夠適應(yīng)8 V～40 V的輸入電壓范圍，且供電能力達(dá)到5 A，效率達(dá)到92%［2］，電源供電電路如圖3所示。

2.2 主備路供電切換電路

主備路供電切換電路主要實(shí)現(xiàn)接入時(shí)序器的主備路供電切換，默認(rèn)狀態(tài)下，主路功率繼電器閉合，備路功率繼電器斷開，實(shí)現(xiàn)市電、發(fā)電機(jī)、UPS的供電。工作過程中，主備路供電輸入電壓采集電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主備路供電輸入電壓，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。此種模式下，始終保證主路供電輸入優(yōu)先。手動(dòng)模式下，根據(jù)實(shí)際需要，通過CAN總線指令控制主備路供電切換。通過對(duì)接入的主備兩路供電進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)市電、發(fā)電機(jī)、UPS離線情況下，功率蓄電池應(yīng)急供電作用，從而保障應(yīng)急指揮車上低壓直流用電儀器設(shè)備不間斷供電，提高了應(yīng)急指揮車的供電可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。此電路由主備路供電電壓采集電路、驅(qū)動(dòng)控制電路和功率繼電器組成。其電路框圖如圖4所示。

圖3 電源供電電路

圖4 主備路供電切換電路

2.3 驅(qū)動(dòng)控制電路

驅(qū)動(dòng)控制電路分為兩部分：主備路供電切換驅(qū)動(dòng)控制和時(shí)序配電輸出驅(qū)動(dòng)控制，兩部分電路采用相同結(jié)構(gòu)，不同之處在于選用不同的開關(guān)管實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)控制電路如圖5所示，控制器通過CAN總線接收主機(jī)指令，并結(jié)合采集數(shù)據(jù)的分析情況，按相應(yīng)配電方式及時(shí)序要求，經(jīng)多路復(fù)用開關(guān)和光電耦合器后，控制MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，間接驅(qū)動(dòng)功率繼電器實(shí)現(xiàn)車載儀器設(shè)備的直流配電，同時(shí)控制器控制面板相應(yīng)指示燈顯示。V6B為續(xù)流二極管，防止繼電器斷開時(shí)，產(chǎn)生較大反電動(dòng)勢(shì)，燒壞控制電路，V5B為保護(hù)穩(wěn)壓管，有保護(hù)MOSFET的作用。MOSFET選用IR公司的IRF7493PBF，該MOSFET具有低導(dǎo)通電阻，低柵極電荷等特點(diǎn)，適合用于開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制［3］。

圖5 驅(qū)動(dòng)控制電路

2.4 數(shù)據(jù)采集電路

2.4.1 電流采集電路

為了監(jiān)測(cè)車載儀器設(shè)備用電情況，需要監(jiān)測(cè)輸入供電電流和配電輸出電流。輸入供電電流和配電輸出電流均采用分流器和差分調(diào)理電路的形式實(shí)現(xiàn)，其中輸入供電電流的采集電路如圖6所示，將分流器R6B～R10B并聯(lián)串入采集信號(hào)負(fù)母線輸入端，然后經(jīng)差分調(diào)理電路處理，送入控制器A/D轉(zhuǎn)換通道，由軟件處理得到輸入供電電流。圖中C1B為小容量濾波電容，C3B為反饋電容，起相位補(bǔ)償作用，提高調(diào)理電路穩(wěn)定性，V3B為雙肖特基二極管，保護(hù)控制器A/D轉(zhuǎn)換通道，R15B和C2B構(gòu)成一階低通濾波器。

2.4.2 電壓采集電路

監(jiān)測(cè)主路供電電壓和備路供電電壓是實(shí)現(xiàn)主備兩路供電自動(dòng)切換的前提。常用電壓采集方法是使用電壓傳感器將所需采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或者電流小信號(hào)，然后經(jīng)調(diào)理電路變成單片機(jī)可以識(shí)別的電壓信號(hào)［4］。為降低設(shè)計(jì)成本，采用差分調(diào)理電路直接實(shí)現(xiàn)電壓采集，具體為：電壓正極接差分調(diào)理電路的正相輸入，電壓負(fù)極接差分調(diào)理電路的負(fù)相輸入，經(jīng)差分放大、濾波處理后，送入控制器A/D轉(zhuǎn)換通道，由軟件處理得到電壓信號(hào)，主路供電電壓采集電路如圖7所示。電壓采集電路由于采用差分輸入，具有抑制共模，放大差模，抑制溫漂的作用［5］，此外還能有效抑制輸入信號(hào)中的地線電平電壓浮動(dòng)對(duì)電路的影響，提高了電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力［6］。

圖6 輸入供電電流采集電路

圖7 主路供電電壓采集電路

3 軟件編程設(shè)計(jì)

3.1 最小二乘法算法

由于分流器及調(diào)理電路本身存在系統(tǒng)誤差，為了得到更精確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，需要對(duì)控制器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。常用的數(shù)據(jù)標(biāo)定方法就是對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，主要有拉格朗日插值法和最小二乘法。拉格朗日線性插值法為過測(cè)試點(diǎn)插值，有時(shí)無(wú)法滿足逼近精度的要求［7］。文中選用最小二乘法，按誤差最小原則，使逼近函數(shù)最優(yōu)的逼近采樣點(diǎn)［8-9］。

若測(cè)試點(diǎn)（xi,yi）存在著線性關(guān)系，逼近函數(shù)f(x)=kx+b與測(cè)試點(diǎn)yi之間偏差的平方和最小，即

所得的逼近函數(shù)即為最佳擬合直線。經(jīng)推導(dǎo)可得矩陣方程為

將求得的k、b代入 f(x)=kx+b即可得到最佳擬合直線。通過軟件編程處理，可以消除分流器及調(diào)理電路本身存在系統(tǒng)誤差，得到更精確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2 時(shí)序器軟件編程

每個(gè)車載直流智能配電時(shí)序器共有8路輸出，為實(shí)現(xiàn)更多低壓直流用電負(fù)載的配電，可采用時(shí)序器并聯(lián)或者串聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)容，擴(kuò)容后的時(shí)序器可在供配電系統(tǒng)內(nèi)串/并聯(lián)工作，通過在線更改CAN總線節(jié)點(diǎn)號(hào)對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。該時(shí)序器實(shí)現(xiàn)接入主備路電源（AC/DC、功率蓄電池）的供電切換，在市電、發(fā)電機(jī)、UPS離線的情況下，自動(dòng)切換至功率蓄電池，實(shí)現(xiàn)功率蓄電池應(yīng)急供電；實(shí)現(xiàn)包括開機(jī)時(shí)序配電（負(fù)載接入即上電）和指令時(shí)序配電（通過CAN總線從主機(jī)遠(yuǎn)程獲取上電指令后開始上電）的功能；實(shí)現(xiàn)接入主備兩路供電和配電輸出的監(jiān)測(cè)。此外，時(shí)序器兼容直流24 V和12 V的供電分配，從而拓寬了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍及用途。

根據(jù)車載直流智能配電時(shí)序器實(shí)現(xiàn)的上述功能，時(shí)序器的軟件主要由4部分組成，分別為：AD采集中斷、定時(shí)中斷、CAN總線接收中斷和主循環(huán)。其中，AD采集中斷優(yōu)先級(jí)最高，主要實(shí)現(xiàn)電壓和電流數(shù)據(jù)的讀取、濾波和計(jì)算，AD采集的停止；定時(shí)中斷主要實(shí)現(xiàn)AD采集的啟動(dòng)、配電時(shí)序邏輯控制、CAN發(fā)送數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)；CAN總線接收中斷為中斷中的最低優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)指令的接收及譯碼；主循環(huán)為整個(gè)軟件編程的主要部分，實(shí)現(xiàn)控制器初始化，配置總線節(jié)點(diǎn)號(hào)，以區(qū)分供配電系統(tǒng)內(nèi)不同的時(shí)序器；上電自檢，診斷單機(jī)主要硬件電路功能是否正常；參數(shù)標(biāo)定，通過給定參考信號(hào)及最小二乘法計(jì)算逼近函數(shù)的誤差增益和誤差偏移量，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度；主備路供電配置，根據(jù)總線指令和采集信息情況執(zhí)行供電切換；指令時(shí)序上電配電，實(shí)現(xiàn)指令時(shí)序的配電輸出，主循環(huán)流程圖如8所示。

圖8 時(shí)序器軟件流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

車載直流智能配電時(shí)序器與應(yīng)急指揮車進(jìn)行匹配試驗(yàn)，時(shí)序器運(yùn)行情況如圖9所示。

圖9 時(shí)序器運(yùn)行界面

從圖9可以看出，時(shí)序器采用主路供電，工作在自動(dòng)配電模式，即開機(jī)時(shí)序配電，配電時(shí)序?yàn)? s，該時(shí)序器節(jié)點(diǎn)號(hào)為3，八路配電輸出（1#～8#）全部使能。用電流鉗、萬(wàn)用表和示波器等測(cè)試設(shè)備對(duì)其進(jìn)行功能和性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，該時(shí)序器電壓采集相對(duì)誤差不超過0.5%，電流采集相對(duì)誤差不超過1%，響應(yīng)速度快，滿足產(chǎn)品功能和性能要求。

表1 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種車載直流智能配電時(shí)序器，可實(shí)現(xiàn)接入主備路供電的切換，保障應(yīng)急指揮車上低壓直流用電儀器設(shè)備不間斷供電；可實(shí)現(xiàn)車載儀器設(shè)備開機(jī)時(shí)序配電和指令時(shí)序配電，提高了車載配電的操作靈活性，滿足了配電多樣化的需求；可實(shí)現(xiàn)時(shí)序器的并聯(lián)或者串聯(lián)擴(kuò)容，滿足了應(yīng)急指揮車車載儀器設(shè)備增加的需求；通過對(duì)輸入、輸出供電參數(shù)的監(jiān)測(cè)，提高了產(chǎn)品的信息化和智能化。應(yīng)用表明，直流智能配電時(shí)序器響應(yīng)快，操控靈活，擴(kuò)展性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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［6］姜鵬，徐科軍.一種典型的差分放大電路設(shè)計(jì)與測(cè)試［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29（20）：25-28.

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王鳳國(guó)（1981-），男，漢族，山東臨沂人，工程師，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣┡潆姟㈦娏﹄娮蛹夹g(shù)wfg5641@163.com。

Design of Vehicular DC Intelligent Power Distribution Timing Sequence Controller Based on MC9S12D64

WANG Fengguo*，F(xiàn)U Jinjun，ZHU Xiaobo，ZHANG Chunlei
（Beijing Institute of Space Launch Technology，Beijing 100076，China）

In order to meet the power distribution timing sequence requirements of low-voltage DC electrical equip?ment in the emergency command vehicle，improve the flexibility of distribution operation，and achieve distributed intelligent power distribution for multi-channel DC load，a vehicular DC intelligent power distribution timing se?quence controller is designed.The timing sequence controller is based on MC9S12D64 platform，which realizes the power-on timing distribution，instruction timing distribution，power parameter detection，parallel or serial extension and so on.Combined with the least square method for data calibration，the monitoring data accuracy is improved. The application shows that the signal acquisition error of timing sequence controller is less than 1%.Besides the timing sequence controller is good real-time，versatile，work reliable and broad application prospects.

timing sequence controller；intelligent power distribution；MC9S12D64；least square method；controller area network bus

TM642

A

1005-9490（2016）06-1506-06

8520B

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.043

2015-12-06 修改日期：2016-03-02