基于DS2438的電池剩余電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)*

王 琢，吳細(xì)秀，魏洪濤，謝 洵，周 偉

(武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

目前，在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)通常采用電池供電。在使用電池供電時(shí)，電池的當(dāng)前狀態(tài)是用戶所關(guān)心的，如手機(jī)、筆記本電腦等都能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的電量狀態(tài)。鋰電池是整個(gè)災(zāi)害應(yīng)急救生艙的能量來源，因此，電池余量的對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就顯得格外重要。為了實(shí)現(xiàn)上述要求，本文提出了一種基于DS2438智能電池監(jiān)視芯片的電池電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)剩余電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、功耗低的特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)符合災(zāi)害應(yīng)急救生艙的基本要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

災(zāi)害應(yīng)急救生艙中采用的電池是由若干節(jié)鋰電池串聯(lián)而成的鋰電池組。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的鋰電池組為75 A時(shí)，電壓為24 V，最大電流為15 A。傳統(tǒng)的電池組電量測(cè)量方案是在單節(jié)電池上裝傳感器，分別測(cè)量每節(jié)電池的電量信息，并利用開關(guān)進(jìn)行分段循環(huán)檢測(cè)，最后計(jì)算出整個(gè)電池組的電量信息。其缺點(diǎn)是測(cè)量周期長(zhǎng)、硬件電路復(fù)雜、穩(wěn)定性低[1]。

本測(cè)量方案是將整個(gè)鋰電池組視為一個(gè)監(jiān)測(cè)單元，采用電流變送器將大電流轉(zhuǎn)換成0～20 mA的小電流信號(hào)，再利用DS2438智能電池監(jiān)測(cè)芯片進(jìn)行放電電流、端電壓以及剩余電量的測(cè)量。硬件系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)模塊、控制模塊和通信模塊組成。監(jiān)測(cè)模塊是系統(tǒng)的核心，由DS2438及其外圍電路構(gòu)成;控制模塊采用ATmega 16單片機(jī)，該單片機(jī)具有運(yùn)算速度快、片上資源豐富等優(yōu)點(diǎn);通信模塊采用RS232串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 DS2438智能電池監(jiān)視芯片

DS2438芯片是MAXIM公司推出的新一代智能鋰電池監(jiān)測(cè)芯片，集數(shù)據(jù)采集、信息儲(chǔ)存、安全保護(hù)于一身，具有功能強(qiáng)大、硬件接線簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。它可以完成對(duì)電池當(dāng)前狀態(tài)的監(jiān)測(cè)[2]，包括當(dāng)前電池的充/放電狀態(tài)、電壓、電流、溫度和剩余電量等參數(shù)的監(jiān)測(cè)。DS2438芯片能自動(dòng)采集這些數(shù)據(jù)，并將其放在存儲(chǔ)器中。DS2438的引腳封裝如圖2所示。

DS2438各引腳功能如表1所示。

表1 DS2438引腳功能

1.3 系統(tǒng)硬件電路工作原理

系統(tǒng)控制器采用ATmega16單片機(jī)，該單片機(jī)具有16 KB的 系 統(tǒng) 內(nèi) 可 編 程 Flash、512 B EEPROM、1 KB SRAM、32個(gè)通用 I/O口和 32個(gè)通用工作寄存器；其用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程；外設(shè)包括3個(gè)具有比較模式的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、片內(nèi)/外中斷、可編程串行USART、有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口、8路10 bit具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器、一個(gè)SPI串行端口,以及6個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式[3]。

如圖3所示，CHS-20ADS/A0為電流變送器,它能將20 A的電流轉(zhuǎn)換至0～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào);R1為采樣電阻；R2和C1構(gòu)成低通濾波器，可以消除電流尖峰的影響，使電流累加器正確反映流出、流入電池的總電荷[4];DS2438通過檢測(cè)采樣電阻R1兩端的電壓來獲取放電電流和剩余電量的數(shù)據(jù)；R3和R4是一個(gè)3:1的分壓電路;DS2438通過檢測(cè)R4兩端的電壓來獲取電池的端電壓;J1為接負(fù)載的插座。

系統(tǒng)上電后，先對(duì)DS2438進(jìn)行初始化。DS2438內(nèi)部有10 bit A/D轉(zhuǎn)換器，輸入為VAD端。當(dāng)單片機(jī)向DS2438發(fā)出采集電壓控制命令時(shí)，ADC工作，將 VAD端所測(cè)電壓存入DS2438內(nèi)的電壓寄存器。VAD端可測(cè)得的最高電壓為10.23 V，因此，在DS2438前加了1:3的分壓電路。電流測(cè)量不需要單片機(jī)發(fā)出控制命令，DS2438每27.45 ms測(cè)量一次 Vsens+和 Vsens-兩端的壓差(Vsens=Vsens+-Vsens-)，然后將其轉(zhuǎn)換成電流存入DS2438內(nèi)的電流寄存器。電池的剩余電量可用電流累加寄存器（ICA）的值求得，DS2438通過對(duì)流過R1的電流進(jìn)行累加來監(jiān)測(cè)鋰電池的放電量。ICA的值是由DS2438自動(dòng)測(cè)量電池電流后更改的。單片機(jī)等待其采樣完畢后，讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

為了滿足系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，系統(tǒng)采用單片機(jī)串口中斷的方式訪問DS2438，進(jìn)行電池參數(shù)的采集。首先對(duì)單片機(jī)的串口進(jìn)行初始化，當(dāng)上位機(jī)通過串口向單片機(jī)發(fā)送指令A(yù)時(shí)，電壓標(biāo)志置位，進(jìn)行讀電壓的操作；當(dāng)上位機(jī)發(fā)送指令B時(shí)，電流標(biāo)志置位，進(jìn)行讀電流的操作；當(dāng)上位機(jī)發(fā)送指令C時(shí)，電量標(biāo)志置位，進(jìn)行讀電量的操作。最后單片機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

2.2 剩余電量采集子程序設(shè)計(jì)

由于DS2438為單總線芯片，每次進(jìn)行RAM操作前要先進(jìn)行ROM操作。當(dāng)執(zhí)行讀剩余電量子程序時(shí)，首先調(diào)用存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將EEPROM/SRAM中的數(shù)據(jù)拷貝到暫存器scratchpad中;然后進(jìn)行read scratchpad操作，將暫存器中的數(shù)據(jù)讀出來;最后再用電池的總電量減去累計(jì)消耗的電量，即可得到當(dāng)前的剩余電量。剩余電量采集子程序流程圖如圖5所示。放電電流、端電壓的采集和剩余電量的采集類似。

3 通信模塊設(shè)計(jì)

電池電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與上位機(jī)之間采用RS232串口通信，上位機(jī)向電池電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送指令，系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作，然后將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。單片機(jī)本身提供了一組全雙工串行傳輸接口，由TXD引腳傳送數(shù)據(jù)，RXD引腳接收數(shù)據(jù)，但因其工作邏輯電平皆為TTL電平，故單片機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信必須要經(jīng)過 RS232信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換[5]。本系統(tǒng)使用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，只要加4只電容就能完成接口電平的轉(zhuǎn)換。硬件電路如圖6所示。其中，MAX232芯片的9、10腳與單片機(jī)連接，J2為通信接口，可以與上位機(jī)通信。

4 測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，安裝在災(zāi)害應(yīng)急救生艙內(nèi)，對(duì)艙載電子系統(tǒng)進(jìn)行剩余電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將剩余電量百分比和續(xù)航時(shí)間顯示在上位機(jī)的屏幕上，供用戶參考。到目前為止，監(jiān)測(cè)效果良好，放電時(shí)間與實(shí)際定時(shí)測(cè)量結(jié)果吻合。部分實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 部分測(cè)試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于DS2438智能電池監(jiān)視芯片的電池剩余電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組剩余電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、擴(kuò)展性好，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

[1]戰(zhàn)詳真，劉和平，楊飛．基于CAN網(wǎng)絡(luò)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]．低壓電器，2011(22)：27-31．

[2]嚴(yán)佳朋，王大志，金有超．基于 DS2438的大功率蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)[J]．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011，11(3)：40-42．

[3]李泓．AVR單片機(jī)入門與實(shí)踐[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002．

[4]張志國，孔慶，崔納新．電動(dòng)汽車電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．電源技術(shù),2010，35(10)：1224-1226．

[5]周興華．AVR單片機(jī) C語言高級(jí)編程設(shè)計(jì)[M]．北京：中國電力出版社，2001．