劉輝武 王萍 劉昭濤 劉露

（中國(guó)北方車(chē)輛研究所 北京市 100072）

高壓電源管理系統(tǒng)在高電壓、大電流工作狀態(tài)下的安全性方面發(fā)揮著重要作用。在軟件設(shè)計(jì)方面運(yùn)用了多重保護(hù)機(jī)制，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊的快速準(zhǔn)確的校驗(yàn)方法，既確保了產(chǎn)品在使用過(guò)程中的安全性，也降低了產(chǎn)品虛警率，提高了可靠性。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

依據(jù)某項(xiàng)目280V 高壓直流電用電需求，以及瞬時(shí)快速放電的應(yīng)用需求，研制了一種高壓驅(qū)動(dòng)電源。以STM32F107 和LTC6803-4 集成電路為核心器件設(shè)計(jì)了高壓電源管理系統(tǒng)。主控制芯片采用以32 位ARM Cortex-M3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化型STM32F107，運(yùn)行頻率最高可至72MHz，具備硬件除法和單周期乘法功能，接口豐富。LTC6803-4 是美國(guó)凌特公司的一款多單元高壓儲(chǔ)能單元監(jiān)測(cè)芯片。LTC6803-4 具有高精度、高抗噪能力、低電流模式和內(nèi)置的診斷功能電路，可在13ms 內(nèi)完成一個(gè)系統(tǒng)中所有單元的測(cè)量，這些特性對(duì)于保持每個(gè)儲(chǔ)能單元的正確充電狀態(tài)及運(yùn)行狀況是至關(guān)緊要。單片LTC6803-4 最多可監(jiān)測(cè)12 個(gè)儲(chǔ)能單元，本驅(qū)動(dòng)電源共有115 支儲(chǔ)能單元，因此共采用10 片LTC6803-4 對(duì)高壓儲(chǔ)能單元的電壓和溫度等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。STM32F107 與LTC6803-4 之間通過(guò)SPI總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最高通訊頻率可高至1MHz，能夠確保高壓儲(chǔ)能單元數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件總體控制邏輯

系統(tǒng)上電后，充電器開(kāi)始對(duì)高壓儲(chǔ)能模組進(jìn)行充電，STM32F107 對(duì)高壓儲(chǔ)能模組的端電壓進(jìn)行ADC 采集，并同時(shí)進(jìn)行時(shí)間計(jì)時(shí)，根據(jù)充電時(shí)間與高壓儲(chǔ)能模組端電壓之間的關(guān)系來(lái)判斷充電器性能是否滿(mǎn)足要求，若出現(xiàn)異常則停止充電，上報(bào)故障。當(dāng)充電器工作正常時(shí)，繼續(xù)給高壓儲(chǔ)能模組充電，當(dāng)高壓儲(chǔ)能模組端電壓達(dá)到220V 時(shí)，暫停充電，此時(shí)LTC6803-4的工作電壓已建立，芯片可以正常工作。STM32F107 通過(guò)SPI 總線(xiàn)與10 片LTC6803-4進(jìn)行通訊，對(duì)高壓電源單元電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，記錄單元電壓的最大值、最小值，并計(jì)算出最大值與最小值的差值，根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)高壓儲(chǔ)能模組的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。若高壓儲(chǔ)能模組評(píng)估為異常則上報(bào)故障，停止工作。當(dāng)高壓儲(chǔ)能模組工作正常時(shí)，繼續(xù)充電至280V 后暫停充電，此時(shí)持續(xù)對(duì)高壓儲(chǔ)能模組的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估。在暫停充電期間，高壓儲(chǔ)能模組的端電壓會(huì)逐漸降低，當(dāng)端電壓低于270V 時(shí)再次開(kāi)啟充電，以保證高壓儲(chǔ)能模組儲(chǔ)存的電能滿(mǎn)足瞬時(shí)放電需求。在高壓儲(chǔ)能模組端電壓大于250V 以及高壓儲(chǔ)能模組工作正常時(shí)，受外部開(kāi)關(guān)控制，閉合或斷開(kāi)輸出通道的電子開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)高壓的輸出控制。以此流程循環(huán)往復(fù)工作，總體控制邏輯流程見(jiàn)圖1。

圖1：總體邏輯控制流程圖

2.2 數(shù)據(jù)通訊軟件設(shè)計(jì)

LTC6803-4的通訊接口是SPI 串行接口。本系統(tǒng)將10 片LTC6803-4的SPI 接口經(jīng)數(shù)字隔離后進(jìn)行并行連接，與主控制芯片STM32F107的同一SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。LTC6803-4采用地址編碼進(jìn)行選通，確保同一時(shí)刻只有1 片LTC6803-4 與STM32F107 進(jìn)行通訊。STM32F107 內(nèi)核工作頻率設(shè)置為72MHz，由于LTC6803-4的SPI 通訊接口最大波特率為1MHz，為保證高壓電源工作安全性及可靠性，將72MHz 時(shí)鐘信號(hào)256 分頻后，即281.25KHz 設(shè)置為SPI 通訊波特率。主控制芯片STM32F107 作為SPI 通訊主芯片，10 片LTC6803-4 作為SPI 通訊從芯片。

與LTC6803-4的通訊流程見(jiàn)圖2。通過(guò)地址編碼選通其中1 片LTC6803-4，向其發(fā)送寄存器配置指令，隨后讀取此片LTC6803-4的配置寄存器，若讀取值與寫(xiě)入值不一致次數(shù)達(dá)到3 次，說(shuō)明與此片LTC6803-4的通訊接口故障，則退出流程，上報(bào)故障，停止工作。若讀取值與寫(xiě)入值一致則說(shuō)明通訊正常，接著向此片LTC6803-4 發(fā)送啟動(dòng)電壓A/D 轉(zhuǎn)換指令，LTC6803-4 完成整個(gè)ADC 過(guò)程大約需要13ms，13ms 后向其發(fā)送讀取ADC 數(shù)據(jù)指令，在讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程中對(duì)PEC 校驗(yàn)字節(jié)進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)讀取結(jié)束后，判斷計(jì)算得到的PEC 與LTC6803-4 發(fā)送的進(jìn)行比對(duì)，若錯(cuò)誤則重復(fù)讀取一次，若還是錯(cuò)誤則推出此流程，上報(bào)故障，停止工作。若PEC 字節(jié)正確，則繼續(xù)對(duì)下一片LTC6803-4 進(jìn)行通訊，直至10 片通訊全部完成。

圖2：SPI 通訊流程圖

2.3 LTC6803-4之PEC設(shè)計(jì)

為確保SPI 通訊數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與可靠，LTC6803-4 采用 PEC(Packet Error Code)字節(jié)對(duì)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。PEC 字節(jié)是一個(gè)循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)值，按照寄存器組中所有位的傳輸順序進(jìn)行計(jì)算，LTC6803-4 初始PEC 值為01000001（0x41），使用的多項(xiàng)式為X8+X2+X+1。可以按照下列步驟來(lái)計(jì)算PEC 字節(jié)[1]。

步驟1：PEC 設(shè)置為默認(rèn)值01000001（0x41）；

步驟2：對(duì)于輸入寄存器的每個(gè)DIN 位，設(shè)定IN0 = DIN XOR PEC[7]，IN1 = PEC[0]XOR IN0，

IN2 = PEC[1]XOR IN0；

步驟3：更新8 位PEC：PEC[7]=PEC[6]，PEC[6]=PEC[5]，……PEC[3]=PEC[2]，PEC[2]=IN2，PEC[1]=IN1，PEC[0]=IN0；

步驟4：返回步驟2 繼續(xù)執(zhí)行，直到所有數(shù)據(jù)均被移位為止。

以傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)為0x01 來(lái)舉例說(shuō)明PEC 計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表1。

表1：PEC 計(jì)算過(guò)程

數(shù)據(jù)字節(jié)0x01 傳輸完畢后，計(jì)算得到的PEC 字節(jié)為0xC7。

以上計(jì)算過(guò)程為L(zhǎng)TC6803 數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦方法，此方法生成速度較慢，為解決此問(wèn)題特按照以上方法計(jì)算生成一個(gè)包含256 元素的數(shù)組，通過(guò)采用查找表的方式快速獲取PEC 碼。計(jì)算生成的數(shù)組如下所示。

static u8 CRC_TABLE[256]= {

0x00,0 x07,0x0E,0x09,0x1C,0x1B,0x12,0x15,0x38,0x3F,0x36,0x31,0x24,0x23,0x2A,0x2D,

0x70,0 x77,0x7E,0x79,0x6C,0x6B,0x62,0x65,0x48,0x4F,0x46,0x41,0x54,0x53,0x5A,0x5D,

0xE0,0xE7,0xEE,0xE9,0xFC,0xFB,0xF2,0xF5,0xD8,0xDF,0xD6,0 xD1,0xC4,0xC3,0xCA,0xCD,

0x90,0 x97,0x9E,0x99,0x8C,0x8B,0x82,0x85,0xA8,0xAF,0xA6,0x A1,0xB4,0xB3,0xBA,0xBD,

0xC7,0xC0,0xC9,0xCE,0xDB,0xDC,0xD5,0xD2,0xFF,0xF8,0xF1,0xF6,0xE3,0xE4,0xED,0xEA,

0xB7,0xB0,0xB9,0xBE,0xAB,0xAC,0xA5,0xA2,0x8F,0x88,0x81,0x86,0x93,0x94,0x9D,0x9A,

0x27,0 x20,0x29,0x2E,0x3B,0x3C,0x35,0x32,0x1F,0x18,0x11,0x16,0x03,0x04,0x0D,0x0A,

0x57,0 x50,0x59,0x5E,0x4B,0x4C,0x45,0x42,0x6F,0x68,0x61,0x66,0x73,0x74,0x7D,0x7A,

0x89,0 x8E,0x87,0x80,0x95,0x92,0x9B,0x9C,0xB1,0xB6,0xBF,0x B8,0xAD,0xAA,0xA3,0xA4,

0xF9,0xFE,0xF7,0xF0,0xE5,0xE2,0xEB,0xEC,0xC1,0xC6,0xCF,0 xC8,0xDD,0xDA,0xD3,0xD4,

0x69,0 x6E,0x67,0x60,0x75,0x72,0x7B,0x7C,0x51,0x56,0x5F,0x58,0x4D,0x4A,0x43,0x44,

0x19,0 x1E,0x17,0x10,0x05,0x02,0x0B,0x0C,0x21,0x26,0x2F,0x28,0x3D,0x3A,0x33,0x34,

0x4E,0x49,0x40,0x47,0x52,0x55,0x5C,0x5B,0x76,0x71,0x78,0x7F,0x6A,0x6D,0x64,0x63,

0x3E,0x39,0x30,0x37,0x22,0x25,0x2C,0x2B,0x06,0x01,0x08,0x0F,0x1A,0x1D,0x14,0x13,

0xAE,0xA9,0xA0,0xA7,0xB2,0xB5,0xBC,0xBB,0x96,0x91,0x98,0x9F,0x8A,0x8D,0x84,0x83,

0xDE,0xD9,0xD0,0xD7,0xC2,0xC5,0xCC,0xCB,0xE6,0xE1,0xE8,0xEF,0xFA,0xFD,0xF4,0xF3}

在SPI 通訊時(shí)，發(fā)送或接受一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后可以通過(guò)上表來(lái)快速生成PEC 字節(jié)。編程代碼為

pec_data = CRC_TABLE[pec_data ^ spi_data]。

3 系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)

對(duì)高壓電源而言，安全性至關(guān)重要，為保證系統(tǒng)的安全性，本設(shè)計(jì)主要采取了4 種安全措施。

第一種是軟件在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓模組的端電壓，系統(tǒng)設(shè)置了最大充電電壓值，當(dāng)超過(guò)此電壓值時(shí)立即停止充電，確保高壓模組工作在安全的電壓范圍之內(nèi)。

第二種是通過(guò)LTC6803-4 采集高壓模組每單元電壓信息，LTC6803-4 具有采樣精度高、抗噪能力強(qiáng)等特點(diǎn)，115 個(gè)單元的電壓經(jīng)計(jì)算，評(píng)估每個(gè)單元的工作狀態(tài)，每單元的端電壓不能超過(guò)設(shè)定值，單元電壓最大值和最小值的差值也設(shè)定在一定范圍之內(nèi)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)某一性能下降的單元，確保不會(huì)發(fā)生過(guò)充或過(guò)放的情況。

第三種是在高壓模組內(nèi)安裝了5 個(gè)熱敏電阻，主控制芯片STM32F107 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱敏電阻電壓，以此評(píng)估高壓模組內(nèi)是否發(fā)生溫度過(guò)高現(xiàn)象，出現(xiàn)溫度過(guò)高報(bào)警時(shí)，立即停止充電。確保高壓模組工作在合理溫度區(qū)間內(nèi)。

第四種是設(shè)置了充電器最大輸出電壓，若主控制芯片STM32F107 損壞，對(duì)上述所有措施都得不到有效控制時(shí)，也能保證高壓模組工作在安全電壓之下。

4 結(jié)論

此驅(qū)動(dòng)電源已應(yīng)用于某項(xiàng)目中，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，軟件控制邏輯正確合理，SPI 數(shù)據(jù)通訊正常，PEC 碼在數(shù)據(jù)校驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用，即確保了產(chǎn)品的安全性，也降低了誤報(bào)警概率，提高了產(chǎn)品的可靠性。