基于LTC4151的汽車過載監(jiān)控電源接口設(shè)計(jì)

劉禮華，宋俊杰，羅繼庚,黃元峰

(1.漢江丹江口鋁業(yè)有限責(zé)任公司,湖北 丹江口,442700;2.黃石市有色機(jī)電設(shè)備制造公司,湖北 黃石 435005；3.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著人們工作、生活節(jié)奏的加快和消費(fèi)水平的提高，家用汽車已逐步普及，并取代自行車、摩托車、電動車,成為最主要的代步和交通工具，同時也引起了人們生活方式的改變.傳統(tǒng)的家庭多媒體影音娛樂設(shè)施、GPS導(dǎo)航等車用輔助電器、甚至包括車用冰箱等大功率設(shè)備都被裝配到了汽車上.據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，隨著汽車電子和電氣附件的增加，車載附件所產(chǎn)生的功耗呈逐年上升之勢，汽車電子和電器設(shè)備正以平均每輛車每年超過110 W的速度遞增[1].汽車系統(tǒng)的供電電源包括蓄電池和汽車發(fā)電機(jī)，而且很多車用電器還是在發(fā)動機(jī)沒啟動的情況下主要依靠蓄電池供電的.車載附件的功耗增加，勢必會引起過載故障頻發(fā).這種不確定的電壓下跌或浪涌現(xiàn)象，有可能會影響到電動助力系統(tǒng)(EPS)等汽車核心電氣設(shè)備的供電，從而導(dǎo)致更為嚴(yán)重的行車安全事故.為了保證汽車的安全運(yùn)行，就有必要對其擴(kuò)展的用電附件的功耗進(jìn)行監(jiān)視，因此，對于基于汽車電源接口供電的車載電器的功耗監(jiān)視就有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義.

汽車車載電器的過度增加會對汽車電源系統(tǒng)帶來不確定的危害，對車載電器的功率監(jiān)控十分必要.但電壓高瞬變、寬范圍波動的汽車供電特點(diǎn)增加了對電源輸出功率的監(jiān)測難度.汽車系統(tǒng)一般采用12 V或24 V供電.汽車系統(tǒng)供電的一個明顯特點(diǎn)就是電壓的波動幅度比較大.家用小汽車一般用電壓是12 V，其正常工作電壓指標(biāo)為10.5～14.8 V，實(shí)際波動電壓會在9～16 V區(qū)間；大型汽車一般用電壓為24 V，其正常工作電壓指標(biāo)為20～29 V，實(shí)際電壓范圍在18～30 V區(qū)間.如果用測量電源接口輸出電流的簡易方法(這種方法假定供電電壓基本不變)來檢測汽車電器的功耗，顯然達(dá)不到檢測目的，因此，要準(zhǔn)確測量該系統(tǒng)的功率，必須同時測量出某一時刻的電壓和電流.但這樣對電流和電壓就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳感器信號電路，還要考慮電壓寬范圍的波動因素，硬件設(shè)計(jì)變得復(fù)雜.設(shè)計(jì)中采用了適用寬電壓(7 V至80 V)輸入的、能同時在線測量電壓和電流的專用功率檢測芯片LTC4151作為功率監(jiān)控的主要部件，有效的解決了汽車這種高瞬變環(huán)境中的電源功率檢測，簡化了相應(yīng)的電壓和電流檢測電路的設(shè)計(jì)，硬件電路簡潔、可靠.

1 電源埠的硬件設(shè)計(jì)

該項(xiàng)設(shè)計(jì)為小型汽車+12 V的電源擴(kuò)展接口.從汽車的+12 V供電母線上，擴(kuò)展出3路帶功率檢測的電源接口(接口端子為JP1～JP3).擴(kuò)展接口帶有一個顯示文字信息的小塊LCD液晶顯示屏、指示各自接口O狀態(tài)的三個紅/綠雙色LED，以及一個對報(bào)警功率門限值進(jìn)行調(diào)整的按鍵.

系統(tǒng)的硬件電路原理如圖1所示.

圖1 電源埠硬件原理圖

汽車系統(tǒng)的+12 V母線分別連接到三個以LTC4151芯片為核心的功率檢測單元，并通過0.005 Ω、2 W的電流檢測電阻連接到接口的插座孔(JP1～JP3)上.車載電器插入到JP1～JP3中獲取電源(實(shí)際使用中，用戶可以在單個接口上并接多個車載電器).單片機(jī)MCU及LCD、雙色二極管LED0～LED3、蜂鳴器B0、按鍵S0、存儲器AT24LC01構(gòu)成系統(tǒng)的管理單元.+12 V轉(zhuǎn)+3.3 V的穩(wěn)壓電源模塊為MCU單片機(jī)、LCD液晶顯示器等提供+3.3 V供電.

1.1 功率采集單元

設(shè)計(jì)中采用了三片LTC4151分別對三路輸出電源進(jìn)行檢測.如圖1中的IC1～I(xiàn)C3.

LTC4151是凌力爾特(Linear Technology)推出一款高壓端功率監(jiān)視器[2]，該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及典型應(yīng)用電路如圖2所示.該產(chǎn)品可測量電流以及7 V至80 V之輸入電壓.LTC4151利用本身內(nèi)部12位ADC，可連續(xù)測量高壓端電流與輸入電壓，以提供一個真實(shí)的功率值.LTC4151的功率測量單芯片解決方案，適用于寬廣輸入范圍下測量輸入功率，非常適合于12 V或24 V的汽車電子行業(yè)或48 V電源系統(tǒng)的通訊電子行業(yè)應(yīng)用.LTC4151的Vin既是電壓輸入引腳，也是芯片的供電電源引腳.SENSE+與SENSE-腳之間為0.005 Ω、2 W的功率采樣電阻，根據(jù)所帶負(fù)載不同，此采樣電阻兩端的電壓也會隨之變化，其最大電壓范圍為81.92 mV.ADCIN引腳為第三個ADC采樣輸入，可采樣范圍為0～2.048 V，設(shè)計(jì)中此引腳沒有用來采樣電壓，直接作接地處理.SHDN引腳為器件關(guān)閉使能引腳，低電平有效.該引腳在片內(nèi)被上拉為6.3 V，使用中不能將器件關(guān)閉，因此將該引腳作懸空處理.

圖2 LTC4151片內(nèi)結(jié)構(gòu)及典型應(yīng)用電路

數(shù)據(jù)通信是通過I2C來進(jìn)行的，SDA為數(shù)據(jù)引腳，SCL為時鐘引腳.在與MCU的通信中，LTC4151為從器件，MCU為主器件.LTC4151有9個設(shè)備地址可供選擇，其地址由ADR1與ADR0兩根地址引腳來決定.每個地址引腳有3種狀態(tài)：高電平H、低電平L、懸空NC，當(dāng)ADR1或ADR0引腳懸空NC為不確定狀態(tài)時，被認(rèn)為是一個地址狀態(tài)，因此這兩個引腳一共可解析為9種地址.TLC4151的地址解析如表1所示.MCU通過寫入地址信息，才能與對應(yīng)的LTC4151芯片通信.

表1 LTC4151器件地址設(shè)置

功率采集單元與微控制器MCU的硬件接口電路如圖1所示.圖1中的硬件連接由三片LTC4151組成，其中(1)～(3)的地址依次為：DEH、CEH和D2H.輸入電源Vin由汽車系統(tǒng)+12 V電源母線提供；電流采樣電阻串聯(lián)在負(fù)載工作的主回路上，LTC4151通過檢測到采樣電阻兩端的電壓，計(jì)算出負(fù)載上流過的電流，再與采樣到的Vin相乘便可得出實(shí)時功率.再由MCU實(shí)時計(jì)算出三路功率輸出總和.

1.2 系統(tǒng)管理單元

系統(tǒng)的功率檢測和附件過載判斷由MCU微處理器P89LV51RD2單片機(jī)來管理.P89LV51RD2是NXP公司生產(chǎn)的一款增強(qiáng)型MCS51系列單片機(jī)，片內(nèi)包含64 kB Flash和1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，可在+3 V電源電壓下工作，工作頻率最高可達(dá)33 MHz.其典型特點(diǎn)是設(shè)計(jì)者可選擇以傳統(tǒng)的80C51時鐘頻率(每個機(jī)器周期包含12個時鐘)或X2方式(每個機(jī)器周期包含6個時鐘)的時鐘頻率運(yùn)行.為了保存功率過載報(bào)警門限值等相關(guān)參數(shù)，擴(kuò)展了1 kbit容量的I2C串行EEPROM器件AT24LC01，用P89LV51RD2單片機(jī)的I/O腳P2.0、P2.1模擬串行口對AT24LC01進(jìn)行讀寫操作.

LCM顯示模塊cog12864A為內(nèi)嵌控制器ST7920的點(diǎn)陣式液晶顯示屏.COG(Chip on Glass)顯示模塊將控制芯片直接綁定在顯示玻璃基片上，這種安裝方式可以大大減小LCD模塊的體積.這種COG液晶顯示模塊以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用.該項(xiàng)設(shè)計(jì)中cog12864A模塊，128×64點(diǎn)陣可顯示4行16個字符，用來顯示系統(tǒng)的三個接口端子JP1～JP3的實(shí)時功耗及總功耗信息，并提示汽車系統(tǒng)車載附件用電負(fù)荷超載狀況.cog12864A和MCU以SPI串行總線相連，簡化了硬件連線.

LED0、LED1、LED2三個紅/綠雙色二極管，分別連接到MCU的P1.0～P1.5引腳.用來直觀顯示三個電源接口端子JP1～JP3的工作狀態(tài).如當(dāng)接口端子JP1有電器負(fù)載接入，LED0發(fā)綠光常亮.若三路總負(fù)荷過載時，輸出功率最大的一路LED指示燈發(fā)紅光警示，告知用戶從負(fù)荷最重的接口端子或其他工作的接口端子上移除外接的車載電器.

采用連接到MCU I/O口P1.6的獨(dú)立式按鍵S0作為總功率報(bào)警臨界值設(shè)置.長按S0進(jìn)入臨界值P_alarm設(shè)置狀態(tài)，隨后每短按一次(間隔時間在1 s以內(nèi))調(diào)整一次臨界值P_alarm，調(diào)整結(jié)束后間隔4 s以上再長按S0完成對臨界值P_alarm的確認(rèn)(間隔4 s以上短按S0則取消本次數(shù)據(jù)設(shè)置)，并將確認(rèn)的臨界值P_alarm保存到擴(kuò)展的串行EEPROM器件AT24LC01中.

MCU通過I2C與LTC4151進(jìn)行通信，從而讀出電源接口的功率并計(jì)算總功率.同時，用戶可以通過按鍵設(shè)置最大功率門限P_alarm.MCU將通過LTC4151測得的總功率與此功率門限P_alarm進(jìn)行比較，當(dāng)總功率超載時，三路輸出中輸出功率最大的一路的LED報(bào)警指示燈會呈紅色點(diǎn)亮，同時LCD屏上會有詳細(xì)負(fù)載功率信息顯示.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，并在keil環(huán)境中編譯調(diào)試[3].

為實(shí)現(xiàn)接口的設(shè)計(jì)功能，在系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)中，使用了一個定時器中斷資源.使用P89LV51RD2的片內(nèi)定時器timer0用作1 ms定時，并結(jié)合定時器中斷，通過在定時器中斷服務(wù)程序中重啟下一個1 ms定時，來得到的1 ms的連續(xù)定時信號，并將此信號作為整個軟件調(diào)度使用的全局時鐘G_timer_1 ms.

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示.在完成LCD顯示屏、LED指示燈、定時器及中斷等相關(guān)外設(shè)的初始化后，MCU進(jìn)入反復(fù)運(yùn)行空指令_nop_()的死循環(huán)狀態(tài).接口埠的監(jiān)控管理實(shí)際上都在timer0定時器的1 ms中斷服務(wù)程序中進(jìn)行.

接口的功率監(jiān)測周期為500 ms.定時器timer0每進(jìn)一次1 ms的定時器中斷，全局變量G_timer_1 ms的值增加“1”.當(dāng)G_timer_1 ms的值為500的整數(shù)倍時(間隔周期為500 ms),調(diào)用一次事務(wù)處理子程序.在事務(wù)處理子程序EvProc_subr()中，完成對三路接口端子瞬時輸出功率的測量、總輸出功率計(jì)算、警戒功率比較、報(bào)警顯示處理等監(jiān)控任務(wù).事務(wù)處理子程序流程圖如圖4所示.

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

圖4 事務(wù)處理子程序流程圖

S0獨(dú)立按鍵的鍵盤管理采用了“定時器中斷-計(jì)數(shù)”法[4].在全局時鐘G_timer_1 ms的驅(qū)動下，結(jié)合按鍵的即時狀態(tài)并對中斷次數(shù)計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)對按鍵長/短按識別、去抖動處理，從而實(shí)現(xiàn)總輸出功率報(bào)警臨界值P_alarm的設(shè)定和確認(rèn)保存.在長按S0進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)后，每短擊一次S0，設(shè)置值可在預(yù)置的5個預(yù)設(shè)值當(dāng)中循環(huán)切換，選擇預(yù)設(shè)值之后，保持4 s以上時間不擊鍵，再以長按S0的操作確認(rèn)所選取的預(yù)設(shè)值作為總功率報(bào)警臨界值P_alarm，該值同時會被保存到存儲器AT24LC01中.

3 結(jié) 語

綜上所述，LTC4151的采用，有效的解決了汽車供電電壓高瞬變這種復(fù)雜環(huán)境下的電源監(jiān)測問題，電壓、電流信號可直接連接到芯片上進(jìn)行測量，減少了硬件配置，使得硬件設(shè)計(jì)十分簡潔.與采用分立組件和其它電源監(jiān)視器的傳統(tǒng)實(shí)施方法比較，在復(fù)雜性、功能或性能方面都有著很明顯的優(yōu)勢.

參考文獻(xiàn)：

[1]John M.Mille.用電附件過載引發(fā)汽車電源設(shè)計(jì)新思考[DB/OL].http://www.21ic.com/app/auto/201001/52828.htm，2010-12-08.

[2]Linear Tech LTC4151-High Voltage I2C Current and Voltage Monitor [DB/OL].http://cds.linear.com/docs/Datasheet/4151fc,2008-10-29.

[3]馬忠梅.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4]郭建，張新政.DSP系統(tǒng)中鍵盤處理的一種新方法[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2003，28(1)：53-55.