基于uCOS的手機監(jiān)控電池組的系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

紀宇中，吳鴻霞,鄧彬偉,2

(1湖北理工學院 光谷北斗國際學院，湖北 黃石 435003;2湖北理工學院 電氣與電子信息工程學院，湖北 黃石 435003)

基于uCOS的手機監(jiān)控電池組的系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

紀宇中1，吳鴻霞2*,鄧彬偉1,2

(1湖北理工學院 光谷北斗國際學院，湖北 黃石 435003;2湖北理工學院 電氣與電子信息工程學院，湖北 黃石 435003)

為準確獲取電池組的狀態(tài)，以LTC6802 SPI多電池采集芯片為基礎(chǔ)，選取STM32單片機為硬件核心、uCOS操作系統(tǒng)為軟件核心、無線藍牙為通信模塊，實現(xiàn)了對12節(jié)18650電池組電壓及溫度的監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到LCD屏和手機APP上，為電池組的監(jiān)控管理提供了方便。

電池組;LTC6802;STM32單片機;藍牙模塊;uCOS

0 引言

隨著國家對環(huán)境保護的不斷重視，以電池組為核心的能源動力應(yīng)用越來越廣泛，對電池組性能的研究與監(jiān)控成為熱點。LTC6802是凌力爾特(Linear Technology)公司生產(chǎn)的多節(jié)電池可尋址電池組監(jiān)控芯片[1-4]，其被廣泛應(yīng)用于電池組測控方面，如馮亁等[2]進行了LTC6802檢測串聯(lián)電池組電壓電路設(shè)計、徐昕晨等[1]對LTC6802-2在高壓鋰電池組測控系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了研究。隨著手機和藍牙技術(shù)的發(fā)展，采用藍牙和手機監(jiān)控能極大地提高用戶使用的便利性；此外，多路電池監(jiān)控實時性要求高，而uCOS操作系統(tǒng)具有很好的實時性，在很多嵌入式系統(tǒng)中得到應(yīng)用,如基于實時操作系統(tǒng)uCOS-II進行ATmega128串行通信驅(qū)動程序設(shè)計[5]、uCOS-Ⅲ在北斗車載一體機終端中的應(yīng)用[6]等。本文給出了基于uCOS利用LTC6802采集電池信息并通過手機藍牙對多路電池監(jiān)控的設(shè)計與實現(xiàn)方案。設(shè)計的處理器選用STM32單片機,通信模塊使用無線藍牙，實現(xiàn)了對12節(jié)鋰電池組(電壓達50V)的電壓及溫度的監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到LCD屏和手機APP上。采用手機監(jiān)控電池組狀態(tài)的方案，可以充分發(fā)揮手機無處不在的優(yōu)勢，并且也可通過多個手機為后期多組電池組(電池陣列)的管理提供擴展能力。同時本系統(tǒng)提供了多路PWM輸出信號，為進一步電池管理控制提供支持。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)由電池組模塊、LTC6802模塊、STM32單片機、無線藍牙模塊、LCD顯示模塊、電源變換模塊以及有Android系統(tǒng)的手機及手機藍牙APP組成。LTC6802從電池組獲得電能，采集電池組每節(jié)電池信息并通過SPI總線傳送給STM32單片機，STM32單片機通過uCOS多任務(wù)系統(tǒng)實時把數(shù)據(jù)送到LCD上顯示，同時實時把數(shù)據(jù)發(fā)送給串口傳給藍牙模塊，并發(fā)送無線信號到空中，Android手機收到藍牙信號，通過APP把相關(guān)電池組信息輸出，實現(xiàn)對電池組的監(jiān)控。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 LTC6802簡介

LTC6802是凌力爾特(Linear Technology)公司生產(chǎn)的多節(jié)電池可尋址電池組監(jiān)控芯片，其內(nèi)部含有12位的AD轉(zhuǎn)換器、精密電壓基準、高電壓輸入多路轉(zhuǎn)換器和SPI串行接口。每個芯片可以檢測12節(jié)串聯(lián)在一起的電池。同時，芯片還支持串聯(lián)使用，最多可以將16個芯片串聯(lián)在一起，能檢測12×16=192節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組。每個AD的轉(zhuǎn)換范圍為0～5 V，每個芯片可檢測串聯(lián)電池組電壓達60 V。另外，LTC6802還具有高溫保護、電池過充過放電狀態(tài)監(jiān)視、電量均衡功能。

LTC6802有3種工作模式：待機模式、測量模式和監(jiān)事模式。上電默認為待機模式，此模式下，只有串口和5V的穩(wěn)壓基準源處于工作狀態(tài)，其他所有電路均不工作。必須通過串口通信，對LTC6802進行配置才可以啟動其他電路，此時可向CFGR0的CDC[2∶0]位寫入非0的值使其退出待機模式，LTC6802退出待機模式后VREF引腳可以檢測到3.075 V的脈沖基準電壓信號，否則檢測電壓為0 V，這可以作為判斷串口通信是否成功的檢測依據(jù)。

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計時把LTC6802與單片機模塊、LCD模塊等集成在一塊電路板上，可滿足對電池組信息采集板小型化和穩(wěn)定性的要求。

3.1系統(tǒng)版圖

系統(tǒng)電路版圖采用雙面板設(shè)計，從左到右分為3個區(qū)，左邊為模擬信號采集區(qū)，即LTC6802電路電池組信號采集陣列部分；中間區(qū)為LTC6802芯片部分、LCD屏接口和藍牙模塊接口等部分；右邊區(qū)是STM32單片機系統(tǒng)以及DC-DC和LDO等部分。設(shè)計時考慮了模擬信號與數(shù)字信號的隔離問題，確保了系統(tǒng)硬件運行穩(wěn)定。系統(tǒng)電路板的最右邊還提供了多路PWM信號輸出接口，為系統(tǒng)管理控制提供擴展能力。

3.2 LTC6802電路

LTC6802芯片能夠較為方便地實現(xiàn)串聯(lián)電池組的電壓檢測以及對電池的過充和過放電保護，還有可尋址的特性。每組監(jiān)控模塊可接入12節(jié)電池，每個監(jiān)控單元可對16個不同的監(jiān)控模塊分別尋址。LTC6802電池組信號采集電路如圖2所示。

圖2 LTC6802電池組信號采集電路圖

4 軟件設(shè)計

為確保系統(tǒng)采集的實時性以及LCD顯示及報警的互不干擾，設(shè)計采用了uCOS-III實時操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)獲取和串口發(fā)送任務(wù)流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)獲取和串口發(fā)送任務(wù)流程圖

根據(jù)本設(shè)計需要，設(shè)置了3個主工作子任務(wù)，分別是報警任務(wù)void beep_task(void *pdata)，其堆棧為64字節(jié)，任務(wù)優(yōu)先級為5,節(jié)拍時間共100 ms(50 ms蜂鳴器信號為高;50 ms信號為低，產(chǎn)生蜂鳴聲);串口發(fā)送任務(wù)void uart1_task( void *pdata)，其堆棧為64字節(jié)，任務(wù)優(yōu)先級為8，節(jié)拍時間200 ms，其中含LCD顯示信息發(fā)送到LCD顯示緩沖操作；LTC6802數(shù)據(jù)采集采用SPI通信進行，模擬SPI通信和數(shù)據(jù)獲取放在void ltc6802_task(void *pdata)中，其堆棧為64字節(jié)，任務(wù)優(yōu)先級為1，節(jié)拍時間8 ms。LTC6802寄存器通過SPI方式讀取過程設(shè)置為臨界區(qū)工作，讀取完后通過消息郵箱機制通知串口發(fā)送任務(wù)進行工作，確保數(shù)據(jù)獲取與輸出有序不沖突。

5 測量結(jié)果分析

穩(wěn)定度對于電壓檢測非常重要。穩(wěn)定度越高，表明系統(tǒng)檢測越準確，誤差也越小。LTC6802內(nèi)部含12位的AD轉(zhuǎn)換器,最小檢測步長是1.5 mV，對檢測電壓保留3位小數(shù)。測量了室溫和12節(jié)18650鋰離子電池的電壓，并對檢測到的電壓值求方差。12節(jié)電池電壓及溫度測量數(shù)據(jù)見表1。由表1可以看到方差幾乎為0，也就是說，檢測電壓比較穩(wěn)定，而且檢測精度高。

表1 12節(jié)電池電壓及溫度測量數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

基于STM32單片機和嵌入式操作系統(tǒng)uCOS，利用LTC6802電池管理芯片實現(xiàn)了對12節(jié)18650鋰電池組成的電池組電壓及相關(guān)溫度的采集，通過無線藍牙方式及手機APP實時無線獲取電池組電壓及溫度等狀態(tài)，實現(xiàn)了對電池組的無線監(jiān)控功能。系統(tǒng)采集板尺寸小、穩(wěn)定性高，數(shù)據(jù)采集實時、精準，為進一步對電池組進行管理與控制提供了技術(shù)支持。

[1] 徐昕晨,彭月祥,邢曉喬.LTC6802-2在高壓鋰電池組測控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電源技術(shù),2012,36(6):806-809.

[2] 馮乾,化春雨,朱炯,等.LTC6802檢測串聯(lián)電池組電壓電路設(shè)計[J].電源技術(shù),2014,38(2):252-254.

[3] 劉金枝,楊鵬,苑倩,等.基于Kalman濾波的鋰電池組數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電源技術(shù),2016,40(1):70-72.

[4] 麻金龍,夏超英,蔡奔.基于Infineon XC2785的電池管理系統(tǒng)采集單元設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(7):24-27.

[5] 陳海,陳宇珂,潘澤森,等.基于實時操作系統(tǒng)的ATmega128串行通信驅(qū)動程序設(shè)計[J].中國醫(yī)學裝備,2016,13(11):98-102.

[6] 朱超.uCOS-Ⅲ在北斗車載一體機終端中的應(yīng)用[J].信息通信,2016(10):9-10.

(責任編輯高嵩)

Design and Implementation of Battery Array Monitor System of Cell Phones Based on uCOS

JiYuzhong1，WuHongxia2*，DengBinwei1,2

(1Optics Valley Beidou International School,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

To accurately obtaining the status of each battery pack,the battery array monitor system was designed by taking LTC6802 chip with more-batteries-gather as the basis and SPI,STM32 as the core hardware,uCOS as the core software and Bluetooth as the communication module.The monitoring of the voltage and temperature of 12 set of battery pack 18650 was realized and the real-time transmission of information and data was made to the LCD screen and APP of cell phones,which provided convenience for the monitoring and management of battery pack.Keywords：battery pack;LTC6802;STM32 micro-controller;bluetooth;uCOS

2017-03-15

湖北理工學院大學生科技創(chuàng)新項目(項目編號：16cx13)；湖北省省級教學研究項目(項目編號：2016411)；湖北理工學院校級重點科研項目(項目編號：16xjz04A)。

紀宇中，本科生。

*通訊作者：吳鴻霞，教授，碩士，研究方向：自動化。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.04.003

TM93

：A

：2095-4565(2017)04-0009-03