基于LTC4151的汽車(chē)過(guò)載監(jiān)控電源接口設(shè)計(jì)

劉禮華，宋俊杰，羅繼庚,黃元峰

(1.漢江丹江口鋁業(yè)有限責(zé)任公司,湖北 丹江口,442700;2.黃石市有色機(jī)電設(shè)備制造公司,湖北 黃石 435005；3.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著人們工作、生活節(jié)奏的加快和消費(fèi)水平的提高，家用汽車(chē)已逐步普及，并取代自行車(chē)、摩托車(chē)、電動(dòng)車(chē),成為最主要的代步和交通工具，同時(shí)也引起了人們生活方式的改變.傳統(tǒng)的家庭多媒體影音娛樂(lè)設(shè)施、GPS導(dǎo)航等車(chē)用輔助電器、甚至包括車(chē)用冰箱等大功率設(shè)備都被裝配到了汽車(chē)上.據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，隨著汽車(chē)電子和電氣附件的增加，車(chē)載附件所產(chǎn)生的功耗呈逐年上升之勢(shì)，汽車(chē)電子和電器設(shè)備正以平均每輛車(chē)每年超過(guò)110 W的速度遞增[1].汽車(chē)系統(tǒng)的供電電源包括蓄電池和汽車(chē)發(fā)電機(jī)，而且很多車(chē)用電器還是在發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)啟動(dòng)的情況下主要依靠蓄電池供電的.車(chē)載附件的功耗增加，勢(shì)必會(huì)引起過(guò)載故障頻發(fā).這種不確定的電壓下跌或浪涌現(xiàn)象，有可能會(huì)影響到電動(dòng)助力系統(tǒng)(EPS)等汽車(chē)核心電氣設(shè)備的供電，從而導(dǎo)致更為嚴(yán)重的行車(chē)安全事故.為了保證汽車(chē)的安全運(yùn)行，就有必要對(duì)其擴(kuò)展的用電附件的功耗進(jìn)行監(jiān)視，因此，對(duì)于基于汽車(chē)電源接口供電的車(chē)載電器的功耗監(jiān)視就有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義.

汽車(chē)車(chē)載電器的過(guò)度增加會(huì)對(duì)汽車(chē)電源系統(tǒng)帶來(lái)不確定的危害，對(duì)車(chē)載電器的功率監(jiān)控十分必要.但電壓高瞬變、寬范圍波動(dòng)的汽車(chē)供電特點(diǎn)增加了對(duì)電源輸出功率的監(jiān)測(cè)難度.汽車(chē)系統(tǒng)一般采用12 V或24 V供電.汽車(chē)系統(tǒng)供電的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是電壓的波動(dòng)幅度比較大.家用小汽車(chē)一般用電壓是12 V，其正常工作電壓指標(biāo)為10.5～14.8 V，實(shí)際波動(dòng)電壓會(huì)在9～16 V區(qū)間；大型汽車(chē)一般用電壓為24 V，其正常工作電壓指標(biāo)為20～29 V，實(shí)際電壓范圍在18～30 V區(qū)間.如果用測(cè)量電源接口輸出電流的簡(jiǎn)易方法(這種方法假定供電電壓基本不變)來(lái)檢測(cè)汽車(chē)電器的功耗，顯然達(dá)不到檢測(cè)目的，因此，要準(zhǔn)確測(cè)量該系統(tǒng)的功率，必須同時(shí)測(cè)量出某一時(shí)刻的電壓和電流.但這樣對(duì)電流和電壓就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳感器信號(hào)電路，還要考慮電壓寬范圍的波動(dòng)因素，硬件設(shè)計(jì)變得復(fù)雜.設(shè)計(jì)中采用了適用寬電壓(7 V至80 V)輸入的、能同時(shí)在線測(cè)量電壓和電流的專用功率檢測(cè)芯片LTC4151作為功率監(jiān)控的主要部件，有效的解決了汽車(chē)這種高瞬變環(huán)境中的電源功率檢測(cè)，簡(jiǎn)化了相應(yīng)的電壓和電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，硬件電路簡(jiǎn)潔、可靠.

1 電源埠的硬件設(shè)計(jì)

該項(xiàng)設(shè)計(jì)為小型汽車(chē)+12 V的電源擴(kuò)展接口.從汽車(chē)的+12 V供電母線上，擴(kuò)展出3路帶功率檢測(cè)的電源接口(接口端子為JP1～JP3).擴(kuò)展接口帶有一個(gè)顯示文字信息的小塊LCD液晶顯示屏、指示各自接口O狀態(tài)的三個(gè)紅/綠雙色LED，以及一個(gè)對(duì)報(bào)警功率門(mén)限值進(jìn)行調(diào)整的按鍵.

系統(tǒng)的硬件電路原理如圖1所示.

圖1 電源埠硬件原理圖

汽車(chē)系統(tǒng)的+12 V母線分別連接到三個(gè)以LTC4151芯片為核心的功率檢測(cè)單元，并通過(guò)0.005 Ω、2 W的電流檢測(cè)電阻連接到接口的插座孔(JP1～JP3)上.車(chē)載電器插入到JP1～JP3中獲取電源(實(shí)際使用中，用戶可以在單個(gè)接口上并接多個(gè)車(chē)載電器).單片機(jī)MCU及LCD、雙色二極管LED0～LED3、蜂鳴器B0、按鍵S0、存儲(chǔ)器AT24LC01構(gòu)成系統(tǒng)的管理單元.+12 V轉(zhuǎn)+3.3 V的穩(wěn)壓電源模塊為MCU單片機(jī)、LCD液晶顯示器等提供+3.3 V供電.

1.1 功率采集單元

設(shè)計(jì)中采用了三片LTC4151分別對(duì)三路輸出電源進(jìn)行檢測(cè).如圖1中的IC1～I(xiàn)C3.

LTC4151是凌力爾特(Linear Technology)推出一款高壓端功率監(jiān)視器[2]，該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及典型應(yīng)用電路如圖2所示.該產(chǎn)品可測(cè)量電流以及7 V至80 V之輸入電壓.LTC4151利用本身內(nèi)部12位ADC，可連續(xù)測(cè)量高壓端電流與輸入電壓，以提供一個(gè)真實(shí)的功率值.LTC4151的功率測(cè)量單芯片解決方案，適用于寬廣輸入范圍下測(cè)量輸入功率，非常適合于12 V或24 V的汽車(chē)電子行業(yè)或48 V電源系統(tǒng)的通訊電子行業(yè)應(yīng)用.LTC4151的Vin既是電壓輸入引腳，也是芯片的供電電源引腳.SENSE+與SENSE-腳之間為0.005 Ω、2 W的功率采樣電阻，根據(jù)所帶負(fù)載不同，此采樣電阻兩端的電壓也會(huì)隨之變化，其最大電壓范圍為81.92 mV.ADCIN引腳為第三個(gè)ADC采樣輸入，可采樣范圍為0～2.048 V，設(shè)計(jì)中此引腳沒(méi)有用來(lái)采樣電壓，直接作接地處理.SHDN引腳為器件關(guān)閉使能引腳，低電平有效.該引腳在片內(nèi)被上拉為6.3 V，使用中不能將器件關(guān)閉，因此將該引腳作懸空處理.

圖2 LTC4151片內(nèi)結(jié)構(gòu)及典型應(yīng)用電路

數(shù)據(jù)通信是通過(guò)I2C來(lái)進(jìn)行的，SDA為數(shù)據(jù)引腳，SCL為時(shí)鐘引腳.在與MCU的通信中，LTC4151為從器件，MCU為主器件.LTC4151有9個(gè)設(shè)備地址可供選擇，其地址由ADR1與ADR0兩根地址引腳來(lái)決定.每個(gè)地址引腳有3種狀態(tài)：高電平H、低電平L、懸空NC，當(dāng)ADR1或ADR0引腳懸空NC為不確定狀態(tài)時(shí)，被認(rèn)為是一個(gè)地址狀態(tài)，因此這兩個(gè)引腳一共可解析為9種地址.TLC4151的地址解析如表1所示.MCU通過(guò)寫(xiě)入地址信息，才能與對(duì)應(yīng)的LTC4151芯片通信.

表1 LTC4151器件地址設(shè)置

功率采集單元與微控制器MCU的硬件接口電路如圖1所示.圖1中的硬件連接由三片LTC4151組成，其中(1)～(3)的地址依次為：DEH、CEH和D2H.輸入電源Vin由汽車(chē)系統(tǒng)+12 V電源母線提供；電流采樣電阻串聯(lián)在負(fù)載工作的主回路上，LTC4151通過(guò)檢測(cè)到采樣電阻兩端的電壓，計(jì)算出負(fù)載上流過(guò)的電流，再與采樣到的Vin相乘便可得出實(shí)時(shí)功率.再由MCU實(shí)時(shí)計(jì)算出三路功率輸出總和.

1.2 系統(tǒng)管理單元

系統(tǒng)的功率檢測(cè)和附件過(guò)載判斷由MCU微處理器P89LV51RD2單片機(jī)來(lái)管理.P89LV51RD2是NXP公司生產(chǎn)的一款增強(qiáng)型MCS51系列單片機(jī)，片內(nèi)包含64 kB Flash和1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，可在+3 V電源電壓下工作，工作頻率最高可達(dá)33 MHz.其典型特點(diǎn)是設(shè)計(jì)者可選擇以傳統(tǒng)的80C51時(shí)鐘頻率(每個(gè)機(jī)器周期包含12個(gè)時(shí)鐘)或X2方式(每個(gè)機(jī)器周期包含6個(gè)時(shí)鐘)的時(shí)鐘頻率運(yùn)行.為了保存功率過(guò)載報(bào)警門(mén)限值等相關(guān)參數(shù)，擴(kuò)展了1 kbit容量的I2C串行EEPROM器件AT24LC01，用P89LV51RD2單片機(jī)的I/O腳P2.0、P2.1模擬串行口對(duì)AT24LC01進(jìn)行讀寫(xiě)操作.

LCM顯示模塊cog12864A為內(nèi)嵌控制器ST7920的點(diǎn)陣式液晶顯示屏.COG(Chip on Glass)顯示模塊將控制芯片直接綁定在顯示玻璃基片上，這種安裝方式可以大大減小LCD模塊的體積.這種COG液晶顯示模塊以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用.該項(xiàng)設(shè)計(jì)中cog12864A模塊，128×64點(diǎn)陣可顯示4行16個(gè)字符，用來(lái)顯示系統(tǒng)的三個(gè)接口端子JP1～JP3的實(shí)時(shí)功耗及總功耗信息，并提示汽車(chē)系統(tǒng)車(chē)載附件用電負(fù)荷超載狀況.cog12864A和MCU以SPI串行總線相連，簡(jiǎn)化了硬件連線.

LED0、LED1、LED2三個(gè)紅/綠雙色二極管，分別連接到MCU的P1.0～P1.5引腳.用來(lái)直觀顯示三個(gè)電源接口端子JP1～JP3的工作狀態(tài).如當(dāng)接口端子JP1有電器負(fù)載接入，LED0發(fā)綠光常亮.若三路總負(fù)荷過(guò)載時(shí)，輸出功率最大的一路LED指示燈發(fā)紅光警示，告知用戶從負(fù)荷最重的接口端子或其他工作的接口端子上移除外接的車(chē)載電器.

采用連接到MCU I/O口P1.6的獨(dú)立式按鍵S0作為總功率報(bào)警臨界值設(shè)置.長(zhǎng)按S0進(jìn)入臨界值P_alarm設(shè)置狀態(tài)，隨后每短按一次(間隔時(shí)間在1 s以內(nèi))調(diào)整一次臨界值P_alarm，調(diào)整結(jié)束后間隔4 s以上再長(zhǎng)按S0完成對(duì)臨界值P_alarm的確認(rèn)(間隔4 s以上短按S0則取消本次數(shù)據(jù)設(shè)置)，并將確認(rèn)的臨界值P_alarm保存到擴(kuò)展的串行EEPROM器件AT24LC01中.

MCU通過(guò)I2C與LTC4151進(jìn)行通信，從而讀出電源接口的功率并計(jì)算總功率.同時(shí)，用戶可以通過(guò)按鍵設(shè)置最大功率門(mén)限P_alarm.MCU將通過(guò)LTC4151測(cè)得的總功率與此功率門(mén)限P_alarm進(jìn)行比較，當(dāng)總功率超載時(shí)，三路輸出中輸出功率最大的一路的LED報(bào)警指示燈會(huì)呈紅色點(diǎn)亮，同時(shí)LCD屏上會(huì)有詳細(xì)負(fù)載功率信息顯示.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，并在keil環(huán)境中編譯調(diào)試[3].

為實(shí)現(xiàn)接口的設(shè)計(jì)功能，在系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)中，使用了一個(gè)定時(shí)器中斷資源.使用P89LV51RD2的片內(nèi)定時(shí)器timer0用作1 ms定時(shí)，并結(jié)合定時(shí)器中斷，通過(guò)在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中重啟下一個(gè)1 ms定時(shí)，來(lái)得到的1 ms的連續(xù)定時(shí)信號(hào)，并將此信號(hào)作為整個(gè)軟件調(diào)度使用的全局時(shí)鐘G_timer_1 ms.

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示.在完成LCD顯示屏、LED指示燈、定時(shí)器及中斷等相關(guān)外設(shè)的初始化后，MCU進(jìn)入反復(fù)運(yùn)行空指令_nop_()的死循環(huán)狀態(tài).接口埠的監(jiān)控管理實(shí)際上都在timer0定時(shí)器的1 ms中斷服務(wù)程序中進(jìn)行.

接口的功率監(jiān)測(cè)周期為500 ms.定時(shí)器timer0每進(jìn)一次1 ms的定時(shí)器中斷，全局變量G_timer_1 ms的值增加“1”.當(dāng)G_timer_1 ms的值為500的整數(shù)倍時(shí)(間隔周期為500 ms),調(diào)用一次事務(wù)處理子程序.在事務(wù)處理子程序EvProc_subr()中，完成對(duì)三路接口端子瞬時(shí)輸出功率的測(cè)量、總輸出功率計(jì)算、警戒功率比較、報(bào)警顯示處理等監(jiān)控任務(wù).事務(wù)處理子程序流程圖如圖4所示.

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

圖4 事務(wù)處理子程序流程圖

S0獨(dú)立按鍵的鍵盤(pán)管理采用了“定時(shí)器中斷-計(jì)數(shù)”法[4].在全局時(shí)鐘G_timer_1 ms的驅(qū)動(dòng)下，結(jié)合按鍵的即時(shí)狀態(tài)并對(duì)中斷次數(shù)計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵長(zhǎng)/短按識(shí)別、去抖動(dòng)處理，從而實(shí)現(xiàn)總輸出功率報(bào)警臨界值P_alarm的設(shè)定和確認(rèn)保存.在長(zhǎng)按S0進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)后，每短擊一次S0，設(shè)置值可在預(yù)置的5個(gè)預(yù)設(shè)值當(dāng)中循環(huán)切換，選擇預(yù)設(shè)值之后，保持4 s以上時(shí)間不擊鍵，再以長(zhǎng)按S0的操作確認(rèn)所選取的預(yù)設(shè)值作為總功率報(bào)警臨界值P_alarm，該值同時(shí)會(huì)被保存到存儲(chǔ)器AT24LC01中.

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，LTC4151的采用，有效的解決了汽車(chē)供電電壓高瞬變這種復(fù)雜環(huán)境下的電源監(jiān)測(cè)問(wèn)題，電壓、電流信號(hào)可直接連接到芯片上進(jìn)行測(cè)量，減少了硬件配置，使得硬件設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)潔.與采用分立組件和其它電源監(jiān)視器的傳統(tǒng)實(shí)施方法比較，在復(fù)雜性、功能或性能方面都有著很明顯的優(yōu)勢(shì).

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