紀(jì)宇中，吳鴻霞,鄧彬偉,2

(1湖北理工學(xué)院 光谷北斗國(guó)際學(xué)院，湖北 黃石 435003;2湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

基于uCOS的手機(jī)監(jiān)控電池組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

紀(jì)宇中1，吳鴻霞2*,鄧彬偉1,2

(1湖北理工學(xué)院 光谷北斗國(guó)際學(xué)院，湖北 黃石 435003;2湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

為準(zhǔn)確獲取電池組的狀態(tài)，以LTC6802 SPI多電池采集芯片為基礎(chǔ)，選取STM32單片機(jī)為硬件核心、uCOS操作系統(tǒng)為軟件核心、無(wú)線藍(lán)牙為通信模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)12節(jié)18650電池組電壓及溫度的監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到LCD屏和手機(jī)APP上，為電池組的監(jiān)控管理提供了方便。

電池組;LTC6802;STM32單片機(jī);藍(lán)牙模塊;uCOS

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的不斷重視，以電池組為核心的能源動(dòng)力應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)電池組性能的研究與監(jiān)控成為熱點(diǎn)。LTC6802是凌力爾特(Linear Technology)公司生產(chǎn)的多節(jié)電池可尋址電池組監(jiān)控芯片[1-4]，其被廣泛應(yīng)用于電池組測(cè)控方面，如馮亁等[2]進(jìn)行了LTC6802檢測(cè)串聯(lián)電池組電壓電路設(shè)計(jì)、徐昕晨等[1]對(duì)LTC6802-2在高壓鋰電池組測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。隨著手機(jī)和藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展，采用藍(lán)牙和手機(jī)監(jiān)控能極大地提高用戶(hù)使用的便利性；此外，多路電池監(jiān)控實(shí)時(shí)性要求高，而uCOS操作系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性，在很多嵌入式系統(tǒng)中得到應(yīng)用,如基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOS-II進(jìn)行ATmega128串行通信驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[5]、uCOS-Ⅲ在北斗車(chē)載一體機(jī)終端中的應(yīng)用[6]等。本文給出了基于uCOS利用LTC6802采集電池信息并通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙對(duì)多路電池監(jiān)控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。設(shè)計(jì)的處理器選用STM32單片機(jī),通信模塊使用無(wú)線藍(lán)牙，實(shí)現(xiàn)了對(duì)12節(jié)鋰電池組(電壓達(dá)50V)的電壓及溫度的監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到LCD屏和手機(jī)APP上。采用手機(jī)監(jiān)控電池組狀態(tài)的方案，可以充分發(fā)揮手機(jī)無(wú)處不在的優(yōu)勢(shì)，并且也可通過(guò)多個(gè)手機(jī)為后期多組電池組(電池陣列)的管理提供擴(kuò)展能力。同時(shí)本系統(tǒng)提供了多路PWM輸出信號(hào)，為進(jìn)一步電池管理控制提供支持。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由電池組模塊、LTC6802模塊、STM32單片機(jī)、無(wú)線藍(lán)牙模塊、LCD顯示模塊、電源變換模塊以及有Android系統(tǒng)的手機(jī)及手機(jī)藍(lán)牙APP組成。LTC6802從電池組獲得電能，采集電池組每節(jié)電池信息并通過(guò)SPI總線傳送給STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)通過(guò)uCOS多任務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)送到LCD上顯示，同時(shí)實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)發(fā)送給串口傳給藍(lán)牙模塊，并發(fā)送無(wú)線信號(hào)到空中，Android手機(jī)收到藍(lán)牙信號(hào)，通過(guò)APP把相關(guān)電池組信息輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的監(jiān)控。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 LTC6802簡(jiǎn)介

LTC6802是凌力爾特(Linear Technology)公司生產(chǎn)的多節(jié)電池可尋址電池組監(jiān)控芯片，其內(nèi)部含有12位的AD轉(zhuǎn)換器、精密電壓基準(zhǔn)、高電壓輸入多路轉(zhuǎn)換器和SPI串行接口。每個(gè)芯片可以檢測(cè)12節(jié)串聯(lián)在一起的電池。同時(shí)，芯片還支持串聯(lián)使用，最多可以將16個(gè)芯片串聯(lián)在一起，能檢測(cè)12×16=192節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組。每個(gè)AD的轉(zhuǎn)換范圍為0～5 V，每個(gè)芯片可檢測(cè)串聯(lián)電池組電壓達(dá)60 V。另外，LTC6802還具有高溫保護(hù)、電池過(guò)充過(guò)放電狀態(tài)監(jiān)視、電量均衡功能。

LTC6802有3種工作模式：待機(jī)模式、測(cè)量模式和監(jiān)事模式。上電默認(rèn)為待機(jī)模式，此模式下，只有串口和5V的穩(wěn)壓基準(zhǔn)源處于工作狀態(tài)，其他所有電路均不工作。必須通過(guò)串口通信，對(duì)LTC6802進(jìn)行配置才可以啟動(dòng)其他電路，此時(shí)可向CFGR0的CDC[2∶0]位寫(xiě)入非0的值使其退出待機(jī)模式，LTC6802退出待機(jī)模式后VREF引腳可以檢測(cè)到3.075 V的脈沖基準(zhǔn)電壓信號(hào)，否則檢測(cè)電壓為0 V，這可以作為判斷串口通信是否成功的檢測(cè)依據(jù)。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)把LTC6802與單片機(jī)模塊、LCD模塊等集成在一塊電路板上，可滿足對(duì)電池組信息采集板小型化和穩(wěn)定性的要求。

3.1系統(tǒng)版圖

系統(tǒng)電路版圖采用雙面板設(shè)計(jì)，從左到右分為3個(gè)區(qū)，左邊為模擬信號(hào)采集區(qū)，即LTC6802電路電池組信號(hào)采集陣列部分；中間區(qū)為L(zhǎng)TC6802芯片部分、LCD屏接口和藍(lán)牙模塊接口等部分；右邊區(qū)是STM32單片機(jī)系統(tǒng)以及DC-DC和LDO等部分。設(shè)計(jì)時(shí)考慮了模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的隔離問(wèn)題，確保了系統(tǒng)硬件運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)電路板的最右邊還提供了多路PWM信號(hào)輸出接口，為系統(tǒng)管理控制提供擴(kuò)展能力。

3.2 LTC6802電路

LTC6802芯片能夠較為方便地實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組的電壓檢測(cè)以及對(duì)電池的過(guò)充和過(guò)放電保護(hù)，還有可尋址的特性。每組監(jiān)控模塊可接入12節(jié)電池，每個(gè)監(jiān)控單元可對(duì)16個(gè)不同的監(jiān)控模塊分別尋址。LTC6802電池組信號(hào)采集電路如圖2所示。

圖2 LTC6802電池組信號(hào)采集電路圖

4 軟件設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)性以及LCD顯示及報(bào)警的互不干擾，設(shè)計(jì)采用了uCOS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)獲取和串口發(fā)送任務(wù)流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)獲取和串口發(fā)送任務(wù)流程圖

根據(jù)本設(shè)計(jì)需要，設(shè)置了3個(gè)主工作子任務(wù)，分別是報(bào)警任務(wù)void beep_task(void *pdata)，其堆棧為64字節(jié)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)為5,節(jié)拍時(shí)間共100 ms(50 ms蜂鳴器信號(hào)為高;50 ms信號(hào)為低，產(chǎn)生蜂鳴聲);串口發(fā)送任務(wù)void uart1_task( void *pdata)，其堆棧為64字節(jié)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)為8，節(jié)拍時(shí)間200 ms，其中含LCD顯示信息發(fā)送到LCD顯示緩沖操作；LTC6802數(shù)據(jù)采集采用SPI通信進(jìn)行，模擬SPI通信和數(shù)據(jù)獲取放在void ltc6802_task(void *pdata)中，其堆棧為64字節(jié)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)為1，節(jié)拍時(shí)間8 ms。LTC6802寄存器通過(guò)SPI方式讀取過(guò)程設(shè)置為臨界區(qū)工作，讀取完后通過(guò)消息郵箱機(jī)制通知串口發(fā)送任務(wù)進(jìn)行工作，確保數(shù)據(jù)獲取與輸出有序不沖突。

5 測(cè)量結(jié)果分析

穩(wěn)定度對(duì)于電壓檢測(cè)非常重要。穩(wěn)定度越高，表明系統(tǒng)檢測(cè)越準(zhǔn)確，誤差也越小。LTC6802內(nèi)部含12位的AD轉(zhuǎn)換器,最小檢測(cè)步長(zhǎng)是1.5 mV，對(duì)檢測(cè)電壓保留3位小數(shù)。測(cè)量了室溫和12節(jié)18650鋰離子電池的電壓，并對(duì)檢測(cè)到的電壓值求方差。12節(jié)電池電壓及溫度測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可以看到方差幾乎為0，也就是說(shuō)，檢測(cè)電壓比較穩(wěn)定，而且檢測(cè)精度高。

表1 12節(jié)電池電壓及溫度測(cè)量數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

基于STM32單片機(jī)和嵌入式操作系統(tǒng)uCOS，利用LTC6802電池管理芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)12節(jié)18650鋰電池組成的電池組電壓及相關(guān)溫度的采集，通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙方式及手機(jī)APP實(shí)時(shí)無(wú)線獲取電池組電壓及溫度等狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組的無(wú)線監(jiān)控功能。系統(tǒng)采集板尺寸小、穩(wěn)定性高，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)，為進(jìn)一步對(duì)電池組進(jìn)行管理與控制提供了技術(shù)支持。

[1] 徐昕晨,彭月祥,邢曉喬.LTC6802-2在高壓鋰電池組測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電源技術(shù),2012,36(6):806-809.

[2] 馮乾,化春雨,朱炯,等.LTC6802檢測(cè)串聯(lián)電池組電壓電路設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2014,38(2):252-254.

[3] 劉金枝,楊鵬,苑倩,等.基于Kalman濾波的鋰電池組數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電源技術(shù),2016,40(1):70-72.

[4] 麻金龍,夏超英,蔡奔.基于Infineon XC2785的電池管理系統(tǒng)采集單元設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(7):24-27.

[5] 陳海,陳宇珂,潘澤森,等.基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的ATmega128串行通信驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備,2016,13(11):98-102.

[6] 朱超.uCOS-Ⅲ在北斗車(chē)載一體機(jī)終端中的應(yīng)用[J].信息通信,2016(10):9-10.

(責(zé)任編輯高嵩)

Design and Implementation of Battery Array Monitor System of Cell Phones Based on uCOS

JiYuzhong1，WuHongxia2*，DengBinwei1,2

(1Optics Valley Beidou International School,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

To accurately obtaining the status of each battery pack,the battery array monitor system was designed by taking LTC6802 chip with more-batteries-gather as the basis and SPI,STM32 as the core hardware,uCOS as the core software and Bluetooth as the communication module.The monitoring of the voltage and temperature of 12 set of battery pack 18650 was realized and the real-time transmission of information and data was made to the LCD screen and APP of cell phones,which provided convenience for the monitoring and management of battery pack.Keywords：battery pack;LTC6802;STM32 micro-controller;bluetooth;uCOS

2017-03-15

湖北理工學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：16cx13)；湖北省省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2016411)；湖北理工學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：16xjz04A)。

紀(jì)宇中，本科生。

*通訊作者：吳鴻霞，教授，碩士，研究方向：自動(dòng)化。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.04.003

TM93

：A

：2095-4565(2017)04-0009-03