基于51單片機的能源管理系統智能單元的設計

李見敏，史更新，許 薇

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

基于51單片機的能源管理系統智能單元的設計

李見敏，史更新，許 薇

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

臨近空間作為不可忽視的資源，其重要的開發應用價值在國際上引起廣泛關注。能源供給系統是臨近空間飛行器的重要組成分部分。建立智能電源管理系統，實現對電源系統狀態的在線監測和數據的實時處理以及能量的有效分配，顯得尤為重要。設計了一種基于單片機80C32E的智能電源管理系統，著重介紹了和臨近空間環境特點相關的硬件電路設計和軟件架構。該系統完成對電源系統重要參數的采集和數據的實時分析、上傳，以及蓄電池組的充放電控制等功能。考慮到臨近空間飛行器的空間環境對電源系統高可靠度的要求，采用雙機冷備份的方式，從而確保了飛行器的能源供給。

臨近空間；80C32E單片機；能源管理系統；能源供給

目前，臨近空間的重要開發應用價值在國際上引起了廣泛關注。臨近空間飛行器在近空間作長期、持續飛行，或在亞軌道飛行，或進行高聲速巡航，具有航空、航天飛行器所不具備的作用，特別是在通信保障、情報收集、電子壓制、預警等方面極具發展潛力[1]。

世界各國提出了多種臨近空間飛行器發展方案，研究的熱點集中在平流層飛艇、浮空氣球和高空長航時無人機上。其中，平流層飛艇是地球同步衛星之外另一種重要的定點平臺。能源供給系統是飛艇的重要組成系統。本文針對臨近空間環境特點，為平流層飛艇的電源系統設計了一種智能管理單元(也可簡稱為下位機)。該單元將采集到的系統參數上傳至艇務計算機，實現系統數據的在線監測，并且接收艇務計算機發送的直接和間接遙控指令，完成對電源系統中功率開關的控制。

1 系統工作原理

智能管理單元采用以80C32E單片機為核心的微處理器系統。該系統采用雙機冷備份的方式，以保證系統工作的可靠性。

系統原理框圖如圖1所示。該系統主要由復位電路、時鐘電路、地址譯碼電路、遙測參數采集電路和指令輸出電路組成。

圖1 智能管理單元(單機)工作原理框圖

圖1體現了CPU的最小系統的架構方式，外設和存儲器采用部分地址譯碼方式訪問，外部存儲器工作在復用方式，即數據總線和地址總線的低8位共享相同的端口引腳。該系統主要通過監測系統重要參數，如蓄電池單體電壓和總電壓、母線電壓、充放電電流等，完成對蓄電池組的充放電管理，從而保證了飛行器在臨近空間環境的能量有效分配和供給。

2 硬件電路設計

2.1 雙機冷備份設計

考慮到電源系統在臨近空間飛行器中的重要性，智能管理單元采用雙機冷備份的設計。系統上電時，默認A機工作；如果主機工作異常，艇務計算機發送直接指令“B加A斷”，此時，B機工作，系統繼續正常運行。

在冷備份方式下，同一時刻只有一個下位機工作。通過艇務計算機發出的直接指令切換下位機電源實現該設計思路。圖2為直接指令接口示意圖。該電路中，當“A加B斷”指令有效，繼電器線圈帶電，觸點向著帶電線圈的方向吸合，A機電源有效，B機無效。此時，下位機A機工作。

圖2 直接指令接口示意圖

雙機冷備份的設計方式提高了電源系統的可靠性。

2.2 復位電路設計

看門狗復位和RC上電復位共同組成了下位機的復位系統。圖3所示為單片機復位電路。

圖3 單片機復位電路

單片機在開機時都需要復位，以便中央處理器CPU和其他功能部件都處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。MCS-51單片機的RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效，持續時間要在24個時鐘周期以上。RC值的選取決定了上電復位時間。

看門狗復位是為避免軟件陷阱，防止程序跑飛導致下位機工作異常。以硬件看門狗芯片MAX813為核心構成的復位系統。利用單片機的P1口信號作為看門狗芯片WDI的輸入端。如果看門狗輸入在1.6 s內無變化，就會產生看門狗輸出。

RC復位和看門狗復位任何一個有效都會觸發單片機的復位引腳。

2.3 狀態監測電路設計

下位機采集到的系統參數有模擬量和數字量兩種。功率管的狀態(接通為“1”，高電平；斷開為“0”，低電平)作為數字量，可以直接用總線驅動器74HC245讀取。圖4所示為狀態監測電路。

圖4 狀態監測電路

需要注意的是，雙機冷備份的系統進行狀態量采集涉及到阻抗分配的問題。當主備機的狀態檢測電路的兩個輸入端共點時，相當于一個狀態信號從一個物理線連接到兩個檢測電路輸入端，使用漏極開路方式可以防止不同器件之間的爭用。此時，需要把未工作的下位機的總線驅動器的輸出使能禁止，才可以使狀態量無失真地被采集到；否則，0～5 V信號幅度被減半，系統的狀態量信息就不能被準確地反映。

2.4 脈沖控制電路設計

對于雙機冷備份下位機系統的脈沖控制電路而言，主備機的脈沖輸出端口可以連接到同一個物理線。圖5為脈沖輸出電路原理圖。該部分電路的設計思路是：先輸出電平信號，再把電平信號轉換成脈沖信號。

圖5 脈沖輸出電路

如圖5所示，74HC374的片選使能后，數據線D0A～D7A的數據信號被鎖存至其輸出端，信號經過反向、RC電路，最后被施密特觸發器整形后，作為最終的脈沖信號輸出至后端功率電路。其中，RC電路的作用是高通濾波，經過RC濾波后的信號變為一個負尖峰；施密特觸發器的作用是脈沖整形、反向。

需要特別注意的是，下位機軟件的啟動時間晚于下位機硬件的上電時間。那么，在硬件上電后軟件啟動前的這段時間內，下位機的控制電路應該是被禁止的。具體說就是，所有控制電路的鎖存器、觸發器的輸出使能端OE引腳應該是高電平。當系統上電后(系統的硬件上電時間與復位RC時間常數有關)，OE引腳變為低電平，輸出使能有效。

圖5中OE引腳的信號是“IO_RSTA”，該信號是單片機復位信號(圖3中位“RSTA”)經過兩個施密特觸發器的延時得到的。兩個施密特觸發器的延時時間增加了系統的可靠性。

2.5 電平控制電路設計

對于雙機冷備份下位機系統的電平控制電路而言，涉及到多個器件引腳有共享連接的問題，即多個輸出連接到同一個物理線。

如圖6所示，74HC573的片選使能后，數據線D0A～D7A的數據信號被鎖存至其輸出端。鎖存器的OE引腳的時序與上電復位信號的關系在2.4小節已闡述。

圖6 電平輸出電路

如果主備機的電平控制信號連接到同一個物理線，會引起不同器件之間的爭用。具體來講，如果下位機A機的一條指令輸出端口為高電平，而B機此時不工作(B機所有芯片的供電電源接地)，但是B機的電平控制電路的鎖存器輸出端被強制拉高，這種情況在電路設計中是不允許的。

為了解決上述問題，需要增加接口電路設計。圖7為電平控制電路設計示意圖。為防止不同器件之間的爭用，下位機最終的電平指令輸出信號是由主備機的鎖存器輸出信號的邏輯或運算之后得到的。也就是說，下位機電平指令的發出需要經過二級鎖存。主機或備機的電平輸出電路與后端的或門和鎖存器構成下位機的電平控制電路。由圖7可以看出，主備機的電平指令互不影響。

OCTA是一種非侵入性的快速成像技術，可獲取較清晰的視盤及黃斑區分層視網膜血流成像，并能量化分析視盤和黃斑的血流情況，已廣泛應用于視神經疾病、視網膜疾病的診治及病情監測[8]。NAION患者急性期視盤水腫，pRNFL增厚，6～12周后逐漸萎縮、變薄[2]，因此本研究納入病程＞3個月的NAION患者，且患者的年齡、性別、SE、眼壓與正常對照組均無明顯差異，排除了年齡、性別、近視、眼壓變化及視盤水腫對視盤和視網膜血流檢測的影響。

圖7 電平控制電路設計示意圖

3 軟件設計

3.1 基本設計概念

軟件采用中斷驅動加順序編程的控制流程。軟件為單任務運行模式，軟件不采用操作系統[2]。電源控制器上電后機軟件首先執行部分初始化功能，然后進入主循環，周期性的進行模擬量的采集、狀態量的讀取、自主控制管理、電源控制器以及遙測的組幀發送等操作；智能管理單元還需要通過RS422串口總線控制器接收通過串口發送過來的各種指令，經解析后進行響應動作的執行。

3.2 功能模塊分解

根據功能需求以及模塊化的分解原則，結合軟件的處理流程，將軟件劃分為以下主要模塊：

系統初始化模塊：SYS_INIT

循環執行模塊：MAIN_LOOP

時鐘中斷響應模塊：TIMER_INTP

遙測數據采集模塊：RS_COL

遙測數據組幀模塊：FRM_BLD

充電自控管理模塊：CHAR_SELF_MNG

過放自控管理模塊：DISCHAR_SELF_MNG

指令解析執行模塊：CMD_PROC

指令執行模塊：SW_EXCT

自動接通充電開關模塊：CHAR_SW_AUTOON

各模塊的調用關系如圖8所示。

圖8 模塊調用關系結構

3.3 軟件運行控制

當下位機加電或者重啟時，首先執行初始化模塊。

初始化模塊執行完成之后，進入到循環執行模塊。循環執行模塊按照一定順序和要求依次重置WDT、調用遙測數據采集模塊、遙測數據組幀模塊、充電自控管理模塊、過放自控管理模塊和指令解析模塊，同時還要執行放電開關初始化模塊。

在循環執行過程中，當有串口中斷發生時，下位機將掛起當前正在運行的模塊，轉而執行串口中斷響應模塊。

在循環執行過程中，當有時鐘中斷發生時，下位機將掛起當前正在運行的模塊，轉而執行時鐘中斷響應模塊。時鐘中斷響應模塊執行對應的計數功能[3]。

中斷返回后，循環執行模塊將恢復先前掛起的任務模塊，繼續執行。

軟件的控制流和數據流如圖9所示。

4 結論

隨著信息和電子技術的不斷發展，臨近空間飛行器將朝著自動化方向發展[4]。電源系統作為飛艇的關鍵組成部分，電源下位機的可靠性設計尤為重要。本文設計的系統能滿足設計要求，在小型化和智能化方面還有完善的空間。電子產業的發展，以及抗輻照等級高、滿足軍溫條件的智能化芯片的問世，將進一步提高電源系統的性能。臨近空間飛行器在軍事上的廣泛應用將指日可待。

圖9 數據流和控制流

[1]孫德全，黃才勇.空間鋰離子蓄電池的特點及其管理模式[J].電源技術，2005(10)：1609-1613.

[2]羅霄.基于VxWorks平臺的衛星電源分系統下位機軟件的研究與實現[D].上海：上海交通大學，2009：16-36.

[3]葉衛東，孫芳方，錢銳.衛星電源數據采集控制系統研究[J].現代制造工程，2011(9)：33-35.

[4]王平，孫寧，李華旺，等.小衛星星載容錯計算機控制系統軟硬件設計[J].宇航學報，2006(3)：42-46.

Design of intelligent unit in power manage system based on 51 single-chip microcomputer

LI Jian-min,SHI Geng-xin,XU Wei
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

As the crucial resource,the important value of near space in exploitation and application brings extensive attention internationally. Power supply system is an important part of aircraft in near space. Accordingly, it is important to establish intelligent power manage system,implement on-line inspecting status of power system and real-time transacting of data. A kind of intelligent power manage system based on single-chip microcomputer 80C32E was designed,and the design of hardware and software in near space environment was introduced.The system could complete collection of the main parameters and real-time analyzing and uploading of data in power system as well as the charging and discharging control.Considering the environment of near space aircraft is strict with power system in reliability,the method of double machine cooling in asynchronous time was adopted to ensure the power supply of aircraft.

near space;80C32E single-chip microcomputer;power manage system;power supply

TM 76

A

1002-087 X(2015)08-1733-03

2015-01-08

李見敏(1985—)，女，天津市人，碩士，工程師，主要研究方向為電源系統下位機。