系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以STC89系列的STC89C58RD+微控制器、XILINX的XC9572-84為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、 A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路及鍵盤電路等幾部分組成的，如圖1所示。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用10位ADC TLC1549。顯示驅(qū)動(dòng)芯片采用MC14489B，它可以驅(qū)動(dòng)5位共陰極數(shù)碼管，微控制器的P1口的低5位作為鍵盤輸入口，擴(kuò)展的RS485接口用于多 機(jī)通信 。下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)中STC89C58RD+、XC9572-84器件和電壓采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

微控制器STC89C58RD+簡(jiǎn)介

STC89C58RD+是STC89系列的微控制器，它不但與80C51完全兼容，而且還有新的特點(diǎn)：片內(nèi)含有Flash程序存儲(chǔ)器32Kb， DataFlash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器32Kb，RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器1208B，同時(shí)內(nèi)部還有看門狗（WDT）；由于ALE信號(hào)開關(guān)狀態(tài)可設(shè)置，從而降低了EMI； 具有可編程的8級(jí)中斷源4種優(yōu)先級(jí)，具有系統(tǒng)可編程（ISP）和應(yīng)用可編程（IAP）等特點(diǎn)，片內(nèi)資源豐富、集成度高、使用方便。STC89C58RD+ 對(duì)系統(tǒng)的工作進(jìn)行實(shí)施調(diào)度，實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、電池電壓的測(cè)試和顯示、電池工作狀態(tài)的指示。

邏輯編程器件XC9572-84（CPLD）

由于監(jiān)測(cè)的電池節(jié)數(shù)較多，所需要I/O口較多，用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，需要74HC273、74HC00、74HC138、CD4514等多種芯片來(lái)實(shí) 現(xiàn)，器件種類和數(shù)量多，使PCB的尺寸加大，也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。本系統(tǒng)選用XILINX系列的CPLD器件XC9572-84，其共有72個(gè)宏單 元，69個(gè)I/O口，1600個(gè)門，72個(gè)寄存器，可以對(duì)上述多種芯片進(jìn)行集成。該器件具有在系統(tǒng)可編程能力，含有先進(jìn)的數(shù)據(jù)保密特性，它可以完全保護(hù)編 程數(shù)據(jù)不被非法讀取和擦除，每個(gè)I/O口都有一個(gè)可編程輸出擺率控制位從而可減小系統(tǒng)噪聲，采用具有較低功耗的快速閃存技術(shù)，每個(gè)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)， 負(fù)載電流可達(dá)24mA。XC9572-84接收單片機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)和地址，控制各個(gè)固態(tài)繼電器（G3VM-402C）的選通以及A/D轉(zhuǎn)換的進(jìn)行，達(dá)到采集 電壓的功能。采用了CPLD器件后，減少了系統(tǒng)所需器件的數(shù)量和種類，簡(jiǎn)化了PCB的排版和布線，減小了系統(tǒng)體積和節(jié)約成本，方便了系統(tǒng)調(diào)試，有利于批量化生產(chǎn)。

　　圖2 電壓采集電路

電壓采集電路

電壓采集電路直接影響到電壓測(cè)試的精確程度,因而采集電路設(shè)計(jì)得是否適當(dāng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要。對(duì)每節(jié)電池電壓進(jìn)行測(cè)量,有兩種方法:①對(duì)每節(jié)電池電 壓直接采集。②采集(ｎ+1)節(jié)電池的總電壓,減去ｎ節(jié)電池的總電壓得第ｎ+1節(jié)電池電壓。第一種電壓采集精確而且安全。第二種雖然電路比較簡(jiǎn)單但是當(dāng)電 池節(jié)數(shù)多時(shí)采集的電壓太高，不安全而且會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。因此選用第一種方法。電壓采集電路要求要安全，采集的電壓要足夠的穩(wěn)定。本系統(tǒng)的蓄電池組采用串 接方式，BAT1+接第一節(jié)電池的正極，BAT2+接第二節(jié)的正極（第一節(jié)的負(fù)極），如此依次連接，最多可達(dá)41節(jié)。經(jīng)過(guò)XC9572-84模擬開關(guān)選通 G3VM-402C后，將1～n節(jié)電池電壓依次釋放到電壓總線BUS1+、BUS1-上，電路選用運(yùn)算放大器LM358作為信號(hào)放大器件，它的前級(jí)為差分 式放大器，后級(jí)為電壓跟隨器，使TLC1549得到一個(gè)穩(wěn)定的采樣電壓，如圖2所示。1VD0和1VD1采用FR104高速開關(guān)管來(lái)保護(hù)運(yùn)算放大器的內(nèi)部 電路。差分式放大倍數(shù)為A=0.2，具體推導(dǎo)如下：

(Ua-Up)/1R12=Up/1R14； ①

(Ub-Un)/1R11=(Un-Vo)/1R13；②

注意運(yùn)放的“虛短”特點(diǎn)，有Up=Un；結(jié)合①、②兩式得到Vo=((1R11+1R13)/1R11)