基于MC9S12D64的車載直流智能配電時序器設計

王鳳國，付進軍，朱小波，張春雷

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京100076）

基于MC9S12D64的車載直流智能配電時序器設計

王鳳國*，付進軍，朱小波，張春雷

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京100076）

為滿足應急指揮車上低壓直流用電儀器設備的配電時序要求，提高配電操作的靈活性，實現(xiàn)多路直流負載的分布式智能配電，設計了一種車載直流智能配電時序器。該時序器以MC9S12D64為平臺，實現(xiàn)了開機時序配電，指令時序配電，供電參數(shù)監(jiān)測，并聯(lián)或者串聯(lián)擴容等功能，結合最小二乘法進行數(shù)據(jù)標定提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)精度。應用表明，該時序器信號采集誤差不超過1%，實時性好，通用性強，運行可靠，應用前景廣闊。

時序器；智能配電；MC9S12D64；最小二乘法；CAN總線

為了實現(xiàn)車載儀器設備的供電，車載供配電系統(tǒng)配有車載電源分配器，該分配器多為近程手動操作，操作不夠靈活，功能單一，無法對輸入、輸出供電參數(shù)進行監(jiān)測。隨著應急指揮車車載儀器設備增加，以及配電多樣化的需求，整個車載供配電系統(tǒng)的供電輸入、配電方式及配電時序變得越來越復雜，常規(guī)的電源分配器已無法滿足車載儀器設備對配電時序、配電方式的需求，為提高車載電源分配器的智能化、信息化、通用化和系列化，實時監(jiān)測車載儀器設備用電情況，滿足直流用電負載的配電時序要求，提高配電操作的靈活性、可靠性和可維修性。設計了一種能夠兼容24 V和12 V直流的智能配電時序器，該時序器通過在線更改CAN總線節(jié)點號，可實現(xiàn)時序器的并聯(lián)或者串聯(lián)擴容，從而提高了產(chǎn)品的可擴展性。

1 總體方案設計

車載供配電系統(tǒng)的供電輸入有市電、發(fā)電機、UPS以及功率蓄電池，其中功率蓄電池（24 V或12 V）直接接入時序器，為備路供電；而市電、發(fā)電機、UPS經(jīng)AC/DC電源變換為直流后接入時序器，為主路供電，供配電系統(tǒng)連接關系如圖1所示。

圖1 車載供配電系統(tǒng)連接關系圖

時序器工作時，實時監(jiān)測主備路供電情況，根據(jù)主路供電優(yōu)先原則進行輸入供電，通過CAN總線配置的輸出切換時間、配電方式、配電指令和采集的時序器輸入供電參數(shù)情況，實現(xiàn)車載儀器設備的時序配電。同時監(jiān)測負載用電情況，并經(jīng)CAN總線定時上傳采集的電壓、電流、工作狀態(tài)及各路配電輸出情況等參數(shù)。

根據(jù)實現(xiàn)的功能和要求，時序器主要包括功率配電部分和控制部分，功率配電完成主備路供電切換（2選1控制）、時序輸出配電切換、面板顯示，主要由主備路供電切換電路、驅動控制電路、開關電源和指示燈顯示組成。控制部分完成采集數(shù)據(jù)的運算和標定、上電電路自診斷、關鍵數(shù)據(jù)存儲、總線節(jié)點配置、各種算法的實現(xiàn)、輸出邏輯控制，以及與主機的通信，包括數(shù)據(jù)采集電路、上電自診斷電路、總線通信電路等，主要由控制器及其外圍擴展電路實現(xiàn)，電路總體框圖如圖2所示。

圖2 時序器電路總體框圖

2 硬件電路設計

時序器采用NXP公司的16 bit控制器MC9S12D64，該芯片是應用于汽車、工業(yè)控制領域的一款集成度較高、功能強大的控制器，具有豐富的片上資源，如：64k bytes Flash，4k bytes RAM，16 bit 4路PWM，8路10 bit A/D，25 mA驅動能力的I/O端口，CAN2.0B通信接口和通用SCI接口［1］?？蓪崿F(xiàn)時序器所需的控制、監(jiān)測、通信、運算和存儲等功能。

2.1 開關電源供電電路

時序器輸入主回路電壓為24 V或12 V，控制器供電選自主回路，為了給控制器及其外圍擴展電路提供穩(wěn)定的5 V電源，文中采用buck開關電源實現(xiàn)，主芯片選用TI公司的LM2678，該芯片能夠適應8 V～40 V的輸入電壓范圍，且供電能力達到5 A，效率達到92%［2］，電源供電電路如圖3所示。

2.2 主備路供電切換電路

主備路供電切換電路主要實現(xiàn)接入時序器的主備路供電切換，默認狀態(tài)下，主路功率繼電器閉合，備路功率繼電器斷開，實現(xiàn)市電、發(fā)電機、UPS的供電。工作過程中，主備路供電輸入電壓采集電路實時監(jiān)測主備路供電輸入電壓，實現(xiàn)自動切換。此種模式下，始終保證主路供電輸入優(yōu)先。手動模式下，根據(jù)實際需要，通過CAN總線指令控制主備路供電切換。通過對接入的主備兩路供電進行切換，實現(xiàn)市電、發(fā)電機、UPS離線情況下，功率蓄電池應急供電作用，從而保障應急指揮車上低壓直流用電儀器設備不間斷供電，提高了應急指揮車的供電可靠性和環(huán)境適應性。此電路由主備路供電電壓采集電路、驅動控制電路和功率繼電器組成。其電路框圖如圖4所示。

圖3 電源供電電路

圖4 主備路供電切換電路

2.3 驅動控制電路

驅動控制電路分為兩部分：主備路供電切換驅動控制和時序配電輸出驅動控制，兩部分電路采用相同結構，不同之處在于選用不同的開關管實現(xiàn)驅動。

驅動控制電路如圖5所示，控制器通過CAN總線接收主機指令，并結合采集數(shù)據(jù)的分析情況，按相應配電方式及時序要求，經(jīng)多路復用開關和光電耦合器后，控制MOSFET工作在開關狀態(tài)，間接驅動功率繼電器實現(xiàn)車載儀器設備的直流配電，同時控制器控制面板相應指示燈顯示。V6B為續(xù)流二極管，防止繼電器斷開時，產(chǎn)生較大反電動勢，燒壞控制電路，V5B為保護穩(wěn)壓管，有保護MOSFET的作用。MOSFET選用IR公司的IRF7493PBF，該MOSFET具有低導通電阻，低柵極電荷等特點，適合用于開關驅動控制［3］。

圖5 驅動控制電路

2.4 數(shù)據(jù)采集電路

2.4.1 電流采集電路

為了監(jiān)測車載儀器設備用電情況，需要監(jiān)測輸入供電電流和配電輸出電流。輸入供電電流和配電輸出電流均采用分流器和差分調(diào)理電路的形式實現(xiàn)，其中輸入供電電流的采集電路如圖6所示，將分流器R6B～R10B并聯(lián)串入采集信號負母線輸入端，然后經(jīng)差分調(diào)理電路處理，送入控制器A/D轉換通道，由軟件處理得到輸入供電電流。圖中C1B為小容量濾波電容，C3B為反饋電容，起相位補償作用，提高調(diào)理電路穩(wěn)定性，V3B為雙肖特基二極管，保護控制器A/D轉換通道，R15B和C2B構成一階低通濾波器。

2.4.2 電壓采集電路

監(jiān)測主路供電電壓和備路供電電壓是實現(xiàn)主備兩路供電自動切換的前提。常用電壓采集方法是使用電壓傳感器將所需采集的信號轉換成電壓或者電流小信號，然后經(jīng)調(diào)理電路變成單片機可以識別的電壓信號［4］。為降低設計成本，采用差分調(diào)理電路直接實現(xiàn)電壓采集，具體為：電壓正極接差分調(diào)理電路的正相輸入，電壓負極接差分調(diào)理電路的負相輸入，經(jīng)差分放大、濾波處理后，送入控制器A/D轉換通道，由軟件處理得到電壓信號，主路供電電壓采集電路如圖7所示。電壓采集電路由于采用差分輸入，具有抑制共模，放大差模，抑制溫漂的作用［5］，此外還能有效抑制輸入信號中的地線電平電壓浮動對電路的影響，提高了電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力［6］。

圖6 輸入供電電流采集電路

圖7 主路供電電壓采集電路

3 軟件編程設計

3.1 最小二乘法算法

由于分流器及調(diào)理電路本身存在系統(tǒng)誤差，為了得到更精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要對控制器采集的數(shù)據(jù)進行標定。常用的數(shù)據(jù)標定方法就是對采集數(shù)據(jù)進行擬合，主要有拉格朗日插值法和最小二乘法。拉格朗日線性插值法為過測試點插值，有時無法滿足逼近精度的要求［7］。文中選用最小二乘法，按誤差最小原則，使逼近函數(shù)最優(yōu)的逼近采樣點［8-9］。

若測試點（xi,yi）存在著線性關系，逼近函數(shù)f(x)=kx+b與測試點yi之間偏差的平方和最小，即

所得的逼近函數(shù)即為最佳擬合直線。經(jīng)推導可得矩陣方程為

將求得的k、b代入 f(x)=kx+b即可得到最佳擬合直線。通過軟件編程處理，可以消除分流器及調(diào)理電路本身存在系統(tǒng)誤差，得到更精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.2 時序器軟件編程

每個車載直流智能配電時序器共有8路輸出，為實現(xiàn)更多低壓直流用電負載的配電，可采用時序器并聯(lián)或者串聯(lián)進行擴容，擴容后的時序器可在供配電系統(tǒng)內(nèi)串/并聯(lián)工作，通過在線更改CAN總線節(jié)點號對其進行區(qū)分。該時序器實現(xiàn)接入主備路電源（AC/DC、功率蓄電池）的供電切換，在市電、發(fā)電機、UPS離線的情況下，自動切換至功率蓄電池，實現(xiàn)功率蓄電池應急供電；實現(xiàn)包括開機時序配電（負載接入即上電）和指令時序配電（通過CAN總線從主機遠程獲取上電指令后開始上電）的功能；實現(xiàn)接入主備兩路供電和配電輸出的監(jiān)測。此外，時序器兼容直流24 V和12 V的供電分配，從而拓寬了產(chǎn)品的應用范圍及用途。

根據(jù)車載直流智能配電時序器實現(xiàn)的上述功能，時序器的軟件主要由4部分組成，分別為：AD采集中斷、定時中斷、CAN總線接收中斷和主循環(huán)。其中，AD采集中斷優(yōu)先級最高，主要實現(xiàn)電壓和電流數(shù)據(jù)的讀取、濾波和計算，AD采集的停止；定時中斷主要實現(xiàn)AD采集的啟動、配電時序邏輯控制、CAN發(fā)送數(shù)據(jù)計時；CAN總線接收中斷為中斷中的最低優(yōu)先級，實現(xiàn)主機指令的接收及譯碼；主循環(huán)為整個軟件編程的主要部分，實現(xiàn)控制器初始化，配置總線節(jié)點號，以區(qū)分供配電系統(tǒng)內(nèi)不同的時序器；上電自檢，診斷單機主要硬件電路功能是否正常；參數(shù)標定，通過給定參考信號及最小二乘法計算逼近函數(shù)的誤差增益和誤差偏移量，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度；主備路供電配置，根據(jù)總線指令和采集信息情況執(zhí)行供電切換；指令時序上電配電，實現(xiàn)指令時序的配電輸出，主循環(huán)流程圖如8所示。

圖8 時序器軟件流程圖

4 試驗結果

車載直流智能配電時序器與應急指揮車進行匹配試驗，時序器運行情況如圖9所示。

圖9 時序器運行界面

從圖9可以看出，時序器采用主路供電，工作在自動配電模式，即開機時序配電，配電時序為1 s，該時序器節(jié)點號為3，八路配電輸出（1#～8#）全部使能。用電流鉗、萬用表和示波器等測試設備對其進行功能和性能測試，測試結果部分數(shù)據(jù)如表1所示。結果表明，該時序器電壓采集相對誤差不超過0.5%，電流采集相對誤差不超過1%，響應速度快，滿足產(chǎn)品功能和性能要求。

表1 試驗測試結果

5 結束語

設計了一種車載直流智能配電時序器，可實現(xiàn)接入主備路供電的切換，保障應急指揮車上低壓直流用電儀器設備不間斷供電；可實現(xiàn)車載儀器設備開機時序配電和指令時序配電，提高了車載配電的操作靈活性，滿足了配電多樣化的需求；可實現(xiàn)時序器的并聯(lián)或者串聯(lián)擴容，滿足了應急指揮車車載儀器設備增加的需求；通過對輸入、輸出供電參數(shù)的監(jiān)測，提高了產(chǎn)品的信息化和智能化。應用表明，直流智能配電時序器響應快，操控靈活，擴展性強，具有很好的應用價值。

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王鳳國（1981-），男，漢族，山東臨沂人，工程師，碩士研究生，主要研究領域為供配電、電力電子技術wfg5641@163.com。

Design of Vehicular DC Intelligent Power Distribution Timing Sequence Controller Based on MC9S12D64

WANG Fengguo*，F(xiàn)U Jinjun，ZHU Xiaobo，ZHANG Chunlei
（Beijing Institute of Space Launch Technology，Beijing 100076，China）

In order to meet the power distribution timing sequence requirements of low-voltage DC electrical equip?ment in the emergency command vehicle，improve the flexibility of distribution operation，and achieve distributed intelligent power distribution for multi-channel DC load，a vehicular DC intelligent power distribution timing se?quence controller is designed.The timing sequence controller is based on MC9S12D64 platform，which realizes the power-on timing distribution，instruction timing distribution，power parameter detection，parallel or serial extension and so on.Combined with the least square method for data calibration，the monitoring data accuracy is improved. The application shows that the signal acquisition error of timing sequence controller is less than 1%.Besides the timing sequence controller is good real-time，versatile，work reliable and broad application prospects.

timing sequence controller；intelligent power distribution；MC9S12D64；least square method；controller area network bus

TM642

A

1005-9490（2016）06-1506-06

8520B

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.043

2015-12-06 修改日期：2016-03-02