基于RS485的嵌入式电池化成充放电控制系统的设计

1引言

化成充放电是蓄电池生产工艺中的关键过程之一，其控制水平直接关系到产品的质量。该工艺要求化成充电机能够按时间、电压或安时数等条件对蓄电池进行多次的充放电，具有静电、恒流充电、恒压（限流）充电、恒流放电等多种充放电模式，并要求达到控制精度≤1%，检测精度≤0.5%，限流限压保护精度≤2%。常规生产方式下主要采用人工手动操作，控制精度低、劳动强度大、人为因素对产品的质量影响很大，因此引入微机程控装置对于改善操作过程、提高产品质量意义重大。[1]

随着新型单片机内置大容量的FlashROM、各种串行ADC、DAC以及高密度串行E2PROM等技术的发展，开发高性能、低成本、紧凑型蓄电池充放电控制器成为可能。根据小容量多回路充电机设备的需要，本文提出了一套由嵌入式单片机及其外围串行设备组成的多回路微控制器的设计方案，可以同时控制4台化成充电机的运行，实现自动静电、恒流充放电、恒压限流充电等控制功能；采用汉字LCD显示，可通过键盘设定控制程序参数，具有多阶段可自动按时间和条件（电压、电流或安时）控制的功能；断电后可自动记忆状态，恢复运行后自动继续原过程；自动监测断流、过流、过压等故障并告警；此外，通过RS485串行通信和上位机联网可构成两级集中监控分散型系统。[2-4]

2控制器的硬件设计

多回路化成充放电控制器的硬件主要由主控模块和过程处理模块两大部分组成。按设计要求，主控模块应具有下列功能：（1）良好的人机交互界面，包括键盘和显示器；（2）存储工艺控制参数；（3）掉电保存运行状态及数据；（4）高可靠性和抗干扰性；（5）与上位机联网构成两级集中监控或打印记录系统。过程处理模块完成4路化成充电机的输入/输出信号的调理、隔离与转换。包括系统给定控制量的输出、电流及电压采样值的输入，以及开关量的输出。根据上述功能要求，设计控制器的硬件结构如图1所示。

主控模块以低功耗、高性能的单片机AT89C55为主控CPU，其内部闪存容量达到20KB，内部RAM256字节，可满足较复杂的控制程序、LCD显示汉字库及通信程序的需要，而无需扩展外部程序存储器和数据存储器。主控模块的面板上提供了2×7的薄膜键盘和192×64的点阵式液晶显示器，使现场操作画面非常友好。

采用大容量的24LCXX系列的串行E2PROM来保存大量的设定工艺控制参数及掉电状态数据。24LCXX与单片机的接口采用两线式串行总线，简单可靠。单片机作为主设备，24LCXX作为从设备，主设备对从设备进行读、写数据操作。

过程设备接口均采用串行芯片，接口简单，与单片机间的信号线最多为四根，使得连线数目大大减少，且这些信号线均经光耦隔离后接到单片机，提高了系统的可靠性。

另外，考虑到控制系统的特点，属于多点通信方式，且距离较长，数据要求双向传输，因此采用连接方便、抗干扰性能好、失真小且成低本的RS－485标准接口，实现和上位机之间的数据通信。

该微控制器的硬件设计充分体现了嵌入式系统结构紧凑，外设简单，体积小，携带方便的特点，成本亦大大降低。

3数据的存储管理

在控制４台充电机工作的过程中，需要保存大量的非易失的数据，如工艺控制参数和运行控制数据。在串行E2PROM中保存了预置的8组型号的参数，每组包含12个阶段的工艺控制参数。控制充电机运行的过程中，系统定时将各回路充电机的工作参数值保存到E2PROM中。当系统突然掉电后能自动记忆状态，恢复运行后自动继续原过程。

但考虑到掉电发生的随机性，为保证数据的正确性与完整性，设置了特定标志，保证写入数据的完整性。即每次对24LCXX操作前，首先判断此标志，若为FFH，表明基本数据区数据完整，将其内容写入后备数据区；若为00H，表明上一次对基本数据区的操作被打断，数据不完整，则将后备数据区的内容写入基本数据去，恢复掉电前的数据状态。在对数据操作完成之后，再将标志置为FFH，表明对数据的一次完整操作。采用这种给数据操作加锁的方法，有效地确保了系统的稳定运行。

4控制器的软件设计

4.1实时多任务结构及任务的划分

控制器软件采用实时多任务结构，分为启动管理任务和运行任务两大部分。启动管理任务包括上电命令处理（辅助自检、清除记忆数据等）、系统初始化和工艺控制参数等修改设置，同时串行通信中断任务作为后台任务，接收上位机命令并向上位机发送状态信息；运行任务在执行启动充电机命令后激活，包括主控调度程序（前台任务）、系统定时器中断、串行通信中断任务等，按不同优先级调度运行（前台任务被后台任务打断）。图2为系统任务及调度示意图。

后台任务1由系统定时器T0每100ms产生一次中断，形成基本时钟源，为控制和通信任务提供各类软件计数器。主控调度程序根据定时器计数状态调度各个任务，控制4路充电机的运行。这些任务包括：每隔1秒扫描一次键盘，根据键盘输入的命令激活相应任务，如启动或终止过程、显示设置参数等；每隔1秒进行例行数据采集与处理，分别采集4路充电机的电压、电流量，并对转换的结果作相应的处理；每隔1秒循环显示4路充电机的实时工作状态参数，包括当前工作阶段、工作方式、运行时间、电压电流值、安时数等；每隔2秒分别计算4路充电机的安时数；每隔3秒进行闭环反馈控制PI调节；每隔1分钟分别累计4路充电机的安时数，同时备份相关的数据到E2PROM中。运行过程中定时检查电流、电压信号，如遇异常、断流、过流、过压等故障则及时显示故障类型和对应的充电机号。