基于單片機(jī)的車載電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李麗霞 李健

(同方電子科技有限公司研究所江西九江332002）

1 引言

在實(shí)際使用中，電源對(duì)于一個(gè)電子設(shè)備系統(tǒng)至關(guān)重要，電源正常工作是電子通信系統(tǒng)[1]可靠工作的前提，以前，大多數(shù)電源沒(méi)有微機(jī)控制電路，只有電源轉(zhuǎn)換電路和簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)按鍵控制電路；隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)電源人機(jī)界面交互功能更直觀的需求日益增加，逐漸在單電源單元設(shè)計(jì)微機(jī)控制電路，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)電源各路電壓和電流顯示等功能，通常使用數(shù)碼管顯示；由于電源在設(shè)備中的重要性逐漸提高，對(duì)電源的穩(wěn)定性和可靠性以及自動(dòng)化控制[2]要求也更高，在一些車載中設(shè)計(jì)具有顯示電源參數(shù)和狀態(tài)等功能的電源綜合控制單元。為了對(duì)車載整體電源狀態(tài)進(jìn)行全面地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)電源故障提前預(yù)警，快速地對(duì)電源故障進(jìn)行排查，設(shè)計(jì)了一款采用單片機(jī)外接顯示和語(yǔ)音電路的電源控制盒，實(shí)現(xiàn)通信車電源[3]狀態(tài)的全面管理和監(jiān)控功能。

2 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的構(gòu)成：系統(tǒng)主要由微機(jī)控制模塊、語(yǔ)音報(bào)警電路、面板顯示及按鍵單元和通信電路等組成。系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。電源控制盒與車載電源單元1和車載電源單元2分別通過(guò)RS422進(jìn)行信息交互，電源控制盒下發(fā)開(kāi)關(guān)機(jī)、電源電壓輸出關(guān)閉以及電源電壓輸出值設(shè)定等命令給各電源單元，電源單元上報(bào)各路輸出電源的電壓和電流及工作狀態(tài)；電源單元通過(guò)檢測(cè)控制電路[4]把當(dāng)前的各路輸出電壓和電流等送給電源單元的單片機(jī)C8051F020自帶的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)檢測(cè)出電源的電壓和電流等參數(shù)，并通過(guò)RS422接口上報(bào)給電源控制盒，電源控制盒計(jì)算當(dāng)前各路電源上報(bào)的輸出電壓和電流值，并判斷其是否在正常工作參數(shù)范圍內(nèi)，如在正常范圍內(nèi)，則電源控制盒通過(guò)面板彩色液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前車載電源單元各路電源電壓和電流的值以及電源的工作狀態(tài)；如不在正常參數(shù)范圍，電源控制盒在面板上顯示當(dāng)前電源故障類型，如過(guò)壓、過(guò)流和欠壓等，同時(shí)控制語(yǔ)音報(bào)警電路進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)車載電源的故障顯示報(bào)警和語(yǔ)音報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了電源管理的自動(dòng)化。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

該電源控制盒系統(tǒng)硬件主要由CPU芯片C8051F020為主控核心，外接串口、語(yǔ)音報(bào)警和顯示按鍵等功能電路模塊；設(shè)計(jì)C8051F020的P0口配置成串口0、串口1，串口0和串口1通過(guò)MAX3074EESA接口轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS422電平[5]之間的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電源控制盒與電源1、電源2單元通信；CPU的 P1.0～P1.7口線分別與語(yǔ)音報(bào)警芯片ISD1420的A0～A7相連接用于設(shè)置錄放音的起始地址，CPU的P2口線連接語(yǔ)音報(bào)警芯片的REC-、PLAYE-及PLAYL-等控制管腳對(duì)芯片的錄放音進(jìn)行控制；CPU的P3口連接按鍵掃描控制線用于鍵值讀取；P4和P5口連接液晶顯示屏數(shù)據(jù)、地址及控制線用于顯示電源狀態(tài)。

主控CPU芯片C8051F020單片機(jī)是Silabs集成產(chǎn)品公司推出的C8051F系列芯片中的一款8位嵌入式單片機(jī)，采用CIP-51CPU模式；集成度高，功能強(qiáng)大；I/O口交叉開(kāi)關(guān)可以動(dòng)態(tài)配置；功耗低；溫度范圍寬；基于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試功能方便調(diào)試，是一款性價(jià)比較高的嵌入式單片機(jī)[6]。C8051F020單片機(jī)芯片的管腳分布圖和芯片資料可參閱C8051F020相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)。

串口通信電路主要采用RS422與各電源單元進(jìn)行交互，RS422接口是差分雙絞形式，具有抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸距離遠(yuǎn)，可掛接多個(gè)接收端等特點(diǎn)，電源控制盒通過(guò)RS422接口向各路電源單元下發(fā)開(kāi)關(guān)機(jī)和電壓設(shè)置等命令；各路電源單元向電源控制器報(bào)告當(dāng)前的工作電壓、工作電流以及工作狀態(tài)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電源原始參數(shù)的采集；RS422接口芯片采用MAX3074EESA接口芯片，雙絞線端加120Ω平衡電阻，RS422接口電路如圖2所示。

圖2 RS422接口轉(zhuǎn)換電路圖

語(yǔ)音報(bào)警電路主要采用ISD1420芯片[7]，該芯片是美國(guó)ISD公司的一款單片永久記憶型語(yǔ)音錄放集成電路芯片，外圍電路簡(jiǎn)單，零功耗存儲(chǔ)，內(nèi)部設(shè)有時(shí)鐘振蕩器、128KE2PROM（電可編、電可擦只讀存儲(chǔ)器）、前置放大器、自動(dòng)增益電路、反混疊濾波器、模擬轉(zhuǎn)發(fā)器、平滑濾波器和差分功放等基本功能電路。外圍電路由駐極體話筒、一個(gè)揚(yáng)聲器、少量電阻和電容構(gòu)成，選址能力強(qiáng)，具有分段錄放功能，處理多達(dá)160段語(yǔ)音信息，20 s錄放時(shí)間，ISD1420芯片管腳主要包括8根地址輸入線A0～A7，功放輸出端SP+和SP-分別接揚(yáng)聲器（+）和揚(yáng)聲器（-）端；模擬量輸入ANA IN；模擬量輸出ANA OUT；駐極體話筒輸入MIC；邊緣觸發(fā)放音端PLAYE；電平觸發(fā)放音端PLAYL；錄音觸發(fā)端REC-以及發(fā)光二極管接口端RECLED，ISD1420芯片各管腳詳細(xì)功能定義請(qǐng)參閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)。

錄音：面板設(shè)置錄音后，CPU置REC-管腳為低電平，V1錄音指示燈亮，此時(shí)對(duì)著話筒講話則可錄音。當(dāng)錄音時(shí)間到，關(guān)閉錄音，CPU置REC-為高，則LED熄滅，錄音結(jié)束。放音：CPU置PLAYL-為低電平，則電平觸發(fā)放音，或CPU置PLAYE-下降沿也可觸發(fā)放音。

按每秒可讀3個(gè)漢字計(jì)算，20 s可分段儲(chǔ)存60多個(gè)漢字語(yǔ)音。在軟件支持下，可劃分成若干段完整的長(zhǎng)短語(yǔ)句。A0～A7：00000000～10011111，表明160段語(yǔ)音信息。A0～A7決定每段起止地址，反映錄放音的起止時(shí)間，時(shí)間關(guān)系公式：T=0.125×(128A7+64A6+32A5+16A4+8A3+4A2+2A1+A0)。根據(jù)以上計(jì)算公式，下表每段語(yǔ)音小于等于3個(gè)漢字，則按每段2 s時(shí)間設(shè)計(jì)，每單位值為0.125 ms，計(jì)算出各段語(yǔ)音的起始地址，A7為0，A6～A0值如表1所示。

表1 ISD1420錄音地址的真值表

顯示按鍵功能電路主要為人機(jī)交互接口[8]，顯示當(dāng)前各路電源的電壓、電流及工作狀態(tài)等參數(shù)，按鍵用來(lái)輸入開(kāi)、關(guān)機(jī)命令和錄音啟動(dòng)停止等，顯示屏采用彩色液晶屏顯示，故障時(shí)設(shè)計(jì)用紅色字體顯示，正常時(shí)使用綠色字體顯示，可以提高視覺(jué)效果。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由主程序、串口中斷程序[9]以及功能子程序模塊構(gòu)成，主程序如圖3所示，主要包括初始化程序、狀態(tài)檢測(cè)程序、串口服務(wù)程序和按鍵控制程序。串口服務(wù)程序；初始化程序?qū)PU的各管腳及系統(tǒng)進(jìn)行配置，對(duì)寄存器進(jìn)行初始化；狀態(tài)檢測(cè)程序流程圖如圖4所示，檢測(cè)計(jì)算當(dāng)前電源工作參數(shù)是否正常，為了消除干擾，對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行軟件濾波，取5次采樣平均值，檢測(cè)的電源工作參數(shù)如果在正常工作參數(shù)范圍內(nèi)則實(shí)時(shí)顯示電源參數(shù)實(shí)際值，如不正常則進(jìn)行顯示報(bào)警及語(yǔ)音報(bào)警處理；串口服務(wù)程序用來(lái)對(duì)接收到電源單元上報(bào)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析處理；按鍵控制程序?qū)Π存I進(jìn)行掃描，檢測(cè)到有鍵按下，進(jìn)行相應(yīng)的鍵值服務(wù)程序。串口中斷程序包括中斷保護(hù)、串口數(shù)據(jù)接收緩存并置串口服務(wù)標(biāo)志以及串口中斷恢復(fù)等，主要完成串口數(shù)據(jù)的接收和緩存，收完完整的數(shù)據(jù)包后置串口服務(wù)標(biāo)志，傳遞給串口服務(wù)程序進(jìn)行處理。

圖3 主程序流程圖

圖4 狀態(tài)檢測(cè)程序流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 語(yǔ)音報(bào)警設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)選用ISD1420語(yǔ)音芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種故障語(yǔ)音報(bào)警功能，該芯片集成度高，功能強(qiáng)大，降低了語(yǔ)音報(bào)警設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使用時(shí)，先把要播放的報(bào)警語(yǔ)音段分別錄制到語(yǔ)音芯片的存儲(chǔ)器中，通過(guò)錄音按鍵與錄音人員語(yǔ)音配合進(jìn)行錄制，為了進(jìn)行清晰實(shí)時(shí)的語(yǔ)音報(bào)警，語(yǔ)音錄制是首要解決的問(wèn)題之一，為了充分利用電源控制盒平臺(tái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)軟件配合按鍵，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)語(yǔ)音錄放一體功能，為了確保播放出的語(yǔ)音干凈清晰，錄音應(yīng)在一個(gè)安靜的空間進(jìn)行，否則錄音時(shí)會(huì)把周圍環(huán)境噪聲也錄到語(yǔ)音芯片中，這樣經(jīng)過(guò)音頻放大播放出來(lái)語(yǔ)音會(huì)含有較大的噪音。語(yǔ)音錄制完后，可通過(guò)單片機(jī)軟件控制語(yǔ)音芯片的地址和播放控制線對(duì)多段報(bào)警語(yǔ)音分別播放，該語(yǔ)音報(bào)警電路稍做修改，錄制不同的語(yǔ)音，就可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他需要語(yǔ)音報(bào)警提示的場(chǎng)合，如常見(jiàn)的公交車站到站提示等，如果錄音內(nèi)容較多，錄音存儲(chǔ)器容量不夠，可選擇時(shí)間更長(zhǎng)的語(yǔ)音芯片。

3.2 RS422通信技術(shù)

系統(tǒng)采用RS422接口分別與2個(gè)電源單元進(jìn)行交互，RS422接口具有電路簡(jiǎn)單、可靠性較高以及成本適中等特點(diǎn)，在使用RS422接口的時(shí)候，一對(duì)收和一對(duì)發(fā)線應(yīng)分別采用一對(duì)雙絞線，并且需注意阻抗匹配，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用120Ω匹配電阻，如圖2所示，可以增加系統(tǒng)通信的抗干擾能力，提高通信距離，適當(dāng)降低速率也可以延長(zhǎng)通信距離，系統(tǒng)采用9 600 bit/s的通信速率能可靠的進(jìn)行通信，由于電源里面干擾比較多，為了保證系統(tǒng)的可靠性，需對(duì)電源檢測(cè)IO口線、A/D檢測(cè)口線進(jìn)行濾波，保證檢測(cè)源數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

為了測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，搭建了一個(gè)仿真測(cè)試平臺(tái)，使用RS422通信雙絞線把電源控制盒與2個(gè)電源單元互連，使用WYK-303B2直流雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源輸入電源單元1和電源單元2的電壓及電流檢測(cè)端，把電源電壓調(diào)至超過(guò)設(shè)定的正常門限范圍，電源控制盒顯示屏顯示當(dāng)前電源故障類型，同時(shí)語(yǔ)音報(bào)警提示，然后把檢測(cè)值調(diào)回正常范圍，電源控制盒顯示各路電壓和電流實(shí)際值，無(wú)語(yǔ)音報(bào)警；在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，發(fā)現(xiàn)有時(shí)電源控制盒顯示數(shù)據(jù)會(huì)中斷，經(jīng)排查分析發(fā)現(xiàn)，是電源單元繼電器切換時(shí)，產(chǎn)生干擾導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位引起，采取加強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位管腳的濾波后系統(tǒng)工作正常；經(jīng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能滿足車載系統(tǒng)電源預(yù)警功能，推動(dòng)了電源自動(dòng)化進(jìn)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于電源在電子設(shè)備中非常通用，重要性也常被忽視，但經(jīng)常出問(wèn)題的往往是電源單元，如果系統(tǒng)電源不可靠，則整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法順利的工作，所以對(duì)于車載系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電源是系統(tǒng)正常工作的根本，電源控制盒提高了電源的可靠性、提前預(yù)警，加快了故障判斷時(shí)間，減小了維修時(shí)間，使電源從一個(gè)不可見(jiàn)的單元到可自動(dòng)顯示報(bào)警，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控電源工作狀態(tài)，大大提高了電源的自動(dòng)化程度。

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