低功耗藍牙純電動智能車監測系統設計*（續2）

朱浩 夏范昌 吉祥 杜勇志 江銀鋒 鄂加強 鄧元望

（1.湖南大學；2.湖南宏迅億安新能源科技有限公司）

1.1.4 低功耗藍牙主從機電路板

低功耗藍牙模塊采用美國某公司的CC2541 芯片，如圖5 所示。該芯片遵循V4.0 BLE 藍牙協議規范，配置空間為256 KB，支持AT 指令，用戶可根據需要對串口波特率、配對密碼、設備名稱等參數進行設置，使用靈活。另外，模塊支持UART 接口，具有成本低、體積小、功耗低及收發靈敏度高等優點[10]。通過DC/DC 轉換電路將輸入的5 V 直流電壓轉換為3.3 V 直流電壓，給藍牙4.0 主從機供電，工作頻率為2.4 GHz，自動休眠，待機電流為400～1.5 mA，傳輸時電流為8.5 mA。

圖5 藍牙4.0 主從機電路原理截圖

低功耗藍牙模塊的27 腳（P0_7）是軟/硬件主從設置選擇口。如果此口置低（或懸空），則為硬件設置主從模式，如果置3.3 V 高電平，則為軟件設置主從模式。低功耗藍牙主從機選擇軟件設置主從方式，此口接3.3 V 電源。通過28 腳設置實現主從模式；如果選擇軟件主從模式，可以通過AT 命令查詢和設置，所以本低功耗藍牙主從機采用AT 指令設置主從模式。狀態指示燈D2 接藍牙4.0 模塊的P1_2（24 腳），用于指示其所處狀態。慢速閃爍表示搜索及連接中，長亮表示已經建立連接。

1.1.5 智能車整車控制器電路板

智能車整車控制器采用某公司的16位單片機MC9S12XS128MAA。該芯片的最小系統，如圖6 所示。在該芯片最小系統中，芯片起振采用接在33 引腳（EXTAL）和34 引腳（XTAL）的16 MHz 的無源晶振Y1；電源使用5 V 直流電供給電源77 引腳（VDDX1）、29 引腳（VDDX2）和31 引腳（VDDR）；復位為接30 引腳的按鈕PB1 控制的低電平復位。

圖6 MC9S12XS128MAA 芯片最小系統電路原理截圖

智能車的車速信號通過EA62- CS3C 歐姆龍編碼器的200 線進行采集，信號經PT7 引腳輸入單片機MC9S12XS128MAA 的定時器模塊，經過脈沖累加功能進行車速信號計算的前期處理。智能車轉向機構采用舵機與連桿機構，舵機作為原動機，連桿機構作為從動件。舵機與連桿機構控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。在內部設計一個基準電路，產生的基準信號周期約為20 ms，寬度為0.5～2.5 ms，然后比較直流偏置電壓與電位器的電壓，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片，決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。通過PWM信號占空比的改變控制舵機的位置變化。

CAN 總線采用MC9S12XS128MAA 芯片內部集成的MSCAN 模塊，符合CAN2.0A 和CAN2.0B 通信協議要求，采用某公司的TJA1050 作為CAN 總線收發器。CAN 總線系統，如圖7 所示。CANTX 和CANRX 分別接MC9S12XS128MAA 芯片的74 引腳和75 引腳，經過TJA1050 后，轉換為CAN 總線的CANH 和CANL，然后接雙絞線進行CAN 通信[11]。

圖7 CAN 總線系統框圖

1.2 監測系統程序設計

程序設計主要包括鋰電池充放電板程序、鋰電池溫度采集板程序、藍牙4.0 主從機配對指令和智能車整車控制器程序三部分。程序通過C 語言進行編寫后，利用串口或BDM下載器進行程序燒錄，然后進行硬件測試。

1.2.1 鋰電池充放電板程序設計

鋰電池充放電程序框圖設計，如圖8 所示。LTC2943 鋰電池監測程序主要通過I2C總線獲取鋰電池的實時狀態信息，I2C 總線通信的程序主要包括啟動I2C總線、停止I2C總線、響應、讀/寫一個字節及I2C總線時鐘。通過對相應地址的寄存器進行讀取/寫入操作，實現對鋰電池電壓、電流、溫度及電量的實時監測。首先，實現STC89C52RC 單片機和LTC2943 芯片的I2C總線通信，通過STC89C52RC 單片機向LTC2943 芯片寫入所需訪問的寄存器地址，然后返回原始的鋰電池狀態數據；通過STC89C52RC 對數據的轉換和運算后，得到可以直接顯示的鋰電池電壓、電流、溫度及電量，再通過電腦軟件或LCD12864 液晶顯示器實時顯示。

圖8 鋰電池充放電程序流程圖

1.2.2 鋰電池溫度采集板程序設計

3 個DS18B20 溫度傳感器單線、總線溫度監測程序的流程圖，如圖9 所示。主要使用的協議命令有33h（讀ROM），44h（溫度轉換），55h（ROM 匹配）、BEh（讀暫存器）。流程圖分兩部分，首先讀取3 個DS18B20 的64位光刻ROM地址，然后進行溫度傳感器單線、總線的編程，通過單線、總線實現3 個DS18B20 溫度傳感器測量單體鋰電池多部位溫度的目的。其中DS18B20 的ROM地址通過串口助手輸出8 個字節。

圖9 溫度傳感器的溫度監測程序流程圖

1.2.3 智能車整車控制器程序設計

智能車整車控制器程序流程，如圖10 所示。程序先進行鎖相環倍頻后，分頻給各功能模塊，包括脈寬調制模塊PWM、定時器模塊PIT、串口通信模塊SCI 等。電機和舵機驅動都采用PWM信號，但PWM 信號頻率不同。對于電機，通過對PWM信號的占空比的控制，改變流過電機電流的大小，進而改變電機的轉速，最終達到控制智能車車速的目的。對于舵機，通過對PWM信號占空比的控制，改變舵機的輸出轉角，實現控制智能車轉向角的目的。

圖10 智能車整車控制器程序流程圖

1.3 監測系統軟件設計

通過LabVIEW 設計了與硬件相匹配的軟件及安裝包，系統軟件包括串口通信模塊、數據處理模塊和顯示與報警模塊。串口通信模塊的作用是從智能車上獲取其狀態原始數據，經數據處理模塊后得到所需的顯示結果，通過顯示與報警模塊進行結果顯示與報警，并返回字符串給智能車，實現了對智能車狀態的實時監測，包括智能車車速和轉向角數據處理與顯示、車載鋰電池信息（電壓、電流、溫度、電量）數據的處理與顯示。

2 實例應用

2.1 智能車整車控制器的測試

本系統通過CodeWarrior 5.1 軟件進行編譯和測試，測試智能車整車控制器能否對輸出PWM 控制電機和舵機，以實現智能車的基本行駛功能。通過1 塊1.3英寸（3.3 cm）的12864 液晶顯示屏和2 個四位數碼管顯示，內容包括編碼器15 ms 產生的脈沖數、舵機的PWM占空比。測試結果，如圖11 所示。

圖11 整車控制器調試電腦串口測試結果顯示界面

圖11 顯示結果為智能車正常行駛時，串口助手接收到的6位字符串數據。從圖11 可以看出，其中第1位是舵機PWM 占空比，第2～6位是編碼器產生的脈沖數。編碼器產生的脈沖數不斷變化，說明智能車車速在改變，且數值越大、車速越高；智能車整車控制器實現了PWM信號的輸出，說明智能車能完成基本行駛功能。

2.2 低功耗藍牙無線通信測試

低功耗藍牙無線通信利用串口助手配置藍牙4.0主從機的配對密碼、波特率、主從模式等，然后把藍牙4.0 從機連接到智能車鋰電池溫度采集板的藍牙接口上，接通電源等待藍牙4.0 主機搜索與連接，實現主從機連接；連接完成后，串口助手開始顯示鋰電池溫度采集板的監測結果。顯示的結果，如圖12 所示。

圖12 無線監測鋰電池溫度數據顯示界面

2.3 智能車監測系統軟硬件綜合調試

文章開發使用的是LabVIEW 2013，該版本支持WIN7 系統、軟件安裝包自動生成等功能，編寫的軟件具有移植性好、安裝簡單、界面美觀、人機交互性好等優點。可通過軟件安裝包在其它電腦上安裝，方便用于未裝LabVIEW 軟件的電腦使用。圖13 示出智能車狀態監測系統的完整硬件。

圖13 智能車監測系統完整硬件示意圖

從圖13 可知，智能車監測系統硬件包括電路設計的全部電路板，并通過杜邦線等進行了電氣連接，然后，將其安裝到某B 型車上，主要是電機、舵機、編碼器及鋰電池的電氣連接，還有硬件與車體的六角銅柱機械連接，最終形成一個完整的智能車狀態監測系統。

圖14 示出本系統的軟件界面。在系統軟件安裝完且保證其硬件供電正常條件下，打開并選擇相應的硬件COM口，就可實現智能車狀態的監測。軟件顯示有2 個溫度監測，分別標有溫度和DS18B20 字樣。其中標溫度的顯示模塊為LTC2943 芯片內部集成的溫度傳感器，用于監測放電板的溫度；標DS18B20 的顯示模塊循環顯示鋰電池前側、上側和右側的溫度，用于監測單體鋰電池的溫度。本系統軟件實現了鋰電池的電壓、電流、溫度及電量值的實時監測顯示，還能對高于或低于設定閾值的某1 項或幾項進行報警，即點亮對應報警按鈕。另外，軟件還可實時繪制電壓和電流的時間變化曲線圖，方便以后對鋰電池進行SOC 估算。此智能車監測系統軟硬件的正常運行，實現了監測功能。

圖14 智能車監測系統顯示的軟件顯示界面

3 結論

基于藍牙4.0 和某大賽B 型車，以優化純電動車實時監測系統的線束和控制為目的，設計了低功耗藍牙電動車智能監測系統，包括硬件電路設計、程序設計、軟件設計及軟件測試。以C 語言的定時器中斷方式設計了驅動程序，用LabVIEW 生成了界面可視化的軟件。實測樣機表明本系統軟件實現了鋰電池的電壓、電流、溫度和電量值的實時監測顯示，還能對高于或低于設定閾值的某1 項或幾項進行報警，智能車監測系統軟硬件正常運行，實現了監測功能，證明該設計可行。

（續完）