蓄电池在线监测系统的设计与实现

系统硬件设计

系统硬件结构

蓄电池在线监测系统是以STC89系列的STC89C58RD+微控制器、XILINX的XC9572-84为核心，外围电路主要由电压采集电路、 A/D转换电路、显示驱动电路及键盘电路等几部分组成的，如图1所示。A/D转换芯片采用10位ADC TLC1549。显示驱动芯片采用MC14489B，它可以驱动5位共阴极数码管，微控制器的P1口的低5位作为键盘输入口，扩展的RS485接口用于多 机通信 。下面详细介绍系统中STC89C58RD+、XC9572-84器件和电压采集电路、A/D转换电路的设计与实现。

　　图1 系统硬件结构框图

微控制器STC89C58RD+简介

STC89C58RD+是STC89系列的微控制器，它不但与80C51完全兼容，而且还有新的特点：片内含有Flash程序存储器32Kb， DataFlash数据存储器32Kb，RAM数据存储器1208B，同时内部还有看门狗（WDT）；由于ALE信号开关状态可设置，从而降低了EMI； 具有可编程的8级中断源4种优先级，具有系统可编程（ISP）和应用可编程（IAP）等特点，片内资源丰富、集成度高、使用方便。STC89C58RD+ 对系统的工作进行实施调度，实现外部输入参数的设置、电池电压的测试和显示、电池工作状态的指示。

逻辑编程器件XC9572-84（CPLD）

由于监测的电池节数较多，所需要I/O口较多，用传统的设计方法，需要74HC273、74HC00、74HC138、CD4514等多种芯片来实 现，器件种类和数量多，使PCB的尺寸加大，也增加了系统的不稳定因素。本系统选用XILINX系列的CPLD器件XC9572-84，其共有72个宏单 元，69个I/O口，1600个门，72个寄存器，可以对上述多种芯片进行集成。该器件具有在系统可编程能力，含有先进的数据保密特性，它可以完全保护编 程数据不被非法读取和擦除，每个I/O口都有一个可编程输出摆率控制位从而可减小系统噪声，采用具有较低功耗的快速闪存技术，每个I/O口的驱动能力强， 负载电流可达24mA。XC9572-84接收单片机传来的数据和地址，控制各个固态继电器（G3VM-402C）的选通以及A/D转换的进行，达到采集 电压的功能。采用了CPLD器件后，减少了系统所需器件的数量和种类，简化了PCB的排版和布线，减小了系统体积和节约成本，方便了系统调试，有利于批量化生产。

　　图2 电压采集电路

电压采集电路

电压采集电路直接影响到电压测试的精确程度,因而采集电路设计得是否适当对整个系统至关重要。对每节电池电压进行测量,有两种方法:①对每节电池电 压直接采集。②采集(ｎ+1)节电池的总电压,减去ｎ节电池的总电压得第ｎ+1节电池电压。第一种电压采集精确而且安全。第二种虽然电路比较简单但是当电 池节数多时采集的电压太高，不安全而且会出现较大的误差。因此选用第一种方法。电压采集电路要求要安全，采集的电压要足够的稳定。本系统的蓄电池组采用串 接方式，BAT1+接第一节电池的正极，BAT2+接第二节的正极（第一节的负极），如此依次连接，最多可达41节。经过XC9572-84模拟开关选通 G3VM-402C后，将1～n节电池电压依次释放到电压总线BUS1+、BUS1-上，电路选用运算放大器LM358作为信号放大器件，它的前级为差分 式放大器，后级为电压跟随器，使TLC1549得到一个稳定的采样电压，如图2所示。1VD0和1VD1采用FR104高速开关管来保护运算放大器的内部 电路。差分式放大倍数为A=0.2，具体推导如下：

(Ua-Up)/1R12=Up/1R14； ①

(Ub-Un)/1R11=(Un-Vo)/1R13；②

注意运放的“虚短”特点，有Up=Un；结合①、②两式得到Vo=((1R11+1R13)/1R11)