1 引 言

　　化成充放電是蓄電池生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵過(guò)程之一，其控制水平直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。該工藝要求化成充電機(jī)能夠按時(shí)間、電壓或安時(shí)數(shù)等條件對(duì)蓄電池進(jìn)行多次的充放電，具有靜電、恒流充電、恒壓（限流）充電、恒流放電等多種充放電模式，并要求達(dá)到控制精度≤1%，檢測(cè)精度≤0.5%，限流限壓保護(hù)精度≤2%。常規(guī)生產(chǎn)方式下主要采用人工手動(dòng)操作，控制精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、人為因素對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大，因此引入微機(jī)程控裝置對(duì)于改善操作過(guò)程、提高產(chǎn)品質(zhì)量意義重大。[1]
　　隨著新型單片機(jī)內(nèi)置大容量的FlashROM、各種串行ADC、DAC以及高密度串行E2PROM等技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)高性能、低成本、緊湊型蓄電池充放電控制器成為可能。根據(jù)小容量多回路充電機(jī)設(shè)備的需要，本文提出了一套由嵌入式單片機(jī)及其外圍串行設(shè)備組成的多回路微控制器的設(shè)計(jì)方案，可以同時(shí)控制4臺(tái)化成充電機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)靜電、恒流充放電、恒壓限流充電等控制功能；采用漢字LCD顯示，可通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定控制程序參數(shù)，具有多階段可自動(dòng)按時(shí)間和條件（電壓、電流或安時(shí)）控制的功能；斷電后可自動(dòng)記憶狀態(tài)，恢復(fù)運(yùn)行后自動(dòng)繼續(xù)原過(guò)程；自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷流、過(guò)流、過(guò)壓等故障并告警；此外，通過(guò)RS485串行通信和上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)可構(gòu)成兩級(jí)集中監(jiān)控分散型系統(tǒng)。[2-4]

2 控制器的硬件設(shè)計(jì)

　　多回路化成充放電控制器的硬件主要由主控模塊和過(guò)程處理模塊兩大部分組成。按設(shè)計(jì)要求，主控模塊應(yīng)具有下列功能：（1）良好的人機(jī)交互界面，包括鍵盤(pán)和顯示器；（2）存儲(chǔ)工藝控制參數(shù)；（3）掉電保存運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)；（4）高可靠性和抗干擾性；（5）與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成兩級(jí)集中監(jiān)控或打印記錄系統(tǒng)。過(guò)程處理模塊完成4路化成充電機(jī)的輸入/ 輸出信號(hào)的調(diào)理、隔離與轉(zhuǎn)換。包括系統(tǒng)給定控制量的輸出、電流及電壓采樣值的輸入，以及開(kāi)關(guān)量的輸出。根據(jù)上述功能要求，設(shè)計(jì)控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　主控模塊以低功耗、高性能的單片機(jī)AT89C55為主控CPU，其內(nèi)部閃存容量達(dá)到20KB，內(nèi)部RAM 256字節(jié)，可滿足較復(fù)雜的控制程序、LCD顯示漢字庫(kù)及通信程序的需要，而無(wú)需擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。主控模塊的面板上提供了2×7的薄膜鍵盤(pán)和192×64的點(diǎn)陣式液晶顯示器，使現(xiàn)場(chǎng)操作畫(huà)面非常友好。
　　采用大容量的24LCXX系列的串行E2PROM來(lái)保存大量的設(shè)定工藝控制參數(shù)及掉電狀態(tài)數(shù)據(jù)。24LCXX與單片機(jī)的接口采用兩線式串行總線，簡(jiǎn)單可靠。單片機(jī)作為主設(shè)備，24LCXX作為從設(shè)備，主設(shè)備對(duì)從設(shè)備進(jìn)行讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)操作。
　　過(guò)程設(shè)備接口均采用串行芯片，接口簡(jiǎn)單，與單片機(jī)間的信號(hào)線最多為四根，使得連線數(shù)目大大減少，且這些信號(hào)線均經(jīng)光耦隔離后接到單片機(jī)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
　　另外，考慮到控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，屬于多點(diǎn)通信方式，且距離較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)要求雙向傳輸，因此采用連接方便、抗干擾性能好、失真小且成低本的RS－485標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。
　　該微控制器的硬件設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，外設(shè)簡(jiǎn)單，體積小，攜帶方便的特點(diǎn)，成本亦大大降低。

3 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理

　　在控制４臺(tái)充電機(jī)工作的過(guò)程中，需要保存大量的非易失的數(shù)據(jù)，如工藝控制參數(shù)和運(yùn)行控制數(shù)據(jù)。在串行E2PROM中保存了預(yù)置的8組型號(hào)的參數(shù)，每組包含12個(gè)階段的工藝控制參數(shù)?？刂瞥潆姍C(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，系統(tǒng)定時(shí)將各回路充電機(jī)的工作參數(shù)值保存到E2PROM中。當(dāng)系統(tǒng)突然掉電后能自動(dòng)記憶狀態(tài)，恢復(fù)運(yùn)行后自動(dòng)繼續(xù)原過(guò)程。
　　但考慮到掉電發(fā)生的隨機(jī)性，為保證數(shù)據(jù)的正確性與完整性，設(shè)置了特定標(biāo)志，保證寫(xiě)入數(shù)據(jù)的完整性。即每次對(duì) 24LCXX操作前，首先判斷此標(biāo)志，若為FFH，表明基本數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)完整，將其內(nèi)容寫(xiě)入后備數(shù)據(jù)區(qū)；若為00H，表明上一次對(duì)基本數(shù)據(jù)區(qū)的操作被打斷，數(shù)據(jù)不完整，則將后備數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容寫(xiě)入基本數(shù)據(jù)去，恢復(fù)掉電前的數(shù)據(jù)狀態(tài)。在對(duì)數(shù)據(jù)操作完成之后，再將標(biāo)志置為FFH，表明對(duì)數(shù)據(jù)的一次完整操作。采用這種給數(shù)據(jù)操作加鎖的方法，有效地確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 控制器的軟件設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)時(shí)多任務(wù)結(jié)構(gòu)及任務(wù)的劃分

　　控制器軟件采用實(shí)時(shí)多任務(wù)結(jié)構(gòu)，分為啟動(dòng)管理任務(wù)和運(yùn)行任務(wù)兩大部分。啟動(dòng)管理任務(wù)包括上電命令處理（輔助自檢、清除記憶數(shù)據(jù)等）、系統(tǒng)初始化和工藝控制參數(shù)等修改設(shè)置，同時(shí)串行通信中斷任務(wù)作為后臺(tái)任務(wù)，接收上位機(jī)命令并向上位機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息；運(yùn)行任務(wù)在執(zhí)行啟動(dòng)充電機(jī)命令后激活，包括主控調(diào)度程序（前臺(tái)任務(wù)）、系統(tǒng)定時(shí)器中斷、串行通信中斷任務(wù)等，按不同優(yōu)先級(jí)調(diào)度運(yùn)行（前臺(tái)任務(wù)被后臺(tái)任務(wù)打斷）。圖2為系統(tǒng)任務(wù)及調(diào)度示意圖。

　　后臺(tái)任務(wù)1由系統(tǒng)定時(shí)器T0每100ms產(chǎn)生一次中斷，形成基本時(shí)鐘源，為控制和通信任務(wù)提供各類軟件計(jì)數(shù)器。主控調(diào)度程序根據(jù)定時(shí)器計(jì)數(shù)狀態(tài)調(diào)度各個(gè)任務(wù)，控制4路充電機(jī)的運(yùn)行。這些任務(wù)包括：每隔1秒掃描一次鍵盤(pán)，根據(jù)鍵盤(pán)輸入的命令激活相應(yīng)任務(wù)，如啟動(dòng)或終止過(guò)程、顯示設(shè)置參數(shù)等；每隔1秒進(jìn)行例行數(shù)據(jù)采集與處理，分別采集4路充電機(jī)的電壓、電流量，并對(duì)轉(zhuǎn)換的結(jié)果作相應(yīng)的處理；每隔1秒循環(huán)顯示4路充電機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)參數(shù)，包括當(dāng)前工作階段、工作方式、運(yùn)行時(shí)間、電壓電流值、安時(shí)數(shù)等；每隔2秒分別計(jì)算4路充電機(jī)的安時(shí)數(shù)；每隔3秒進(jìn)行閉環(huán)反饋控制PI調(diào)節(jié)；每隔1分鐘分別累計(jì)4路充電機(jī)的安時(shí)數(shù)，同時(shí)備份相關(guān)的數(shù)據(jù)到E2PROM中。運(yùn)行過(guò)程中定時(shí)檢查電流、電壓信號(hào)，如遇異常、斷流、過(guò)流、過(guò)壓等故障則及時(shí)顯示故障類型和對(duì)應(yīng)的充電機(jī)號(hào)。
　　后臺(tái)任務(wù)2為串行通信中斷任務(wù)。由于采用主從式異步串行通信，通信中斷任務(wù)的優(yōu)先級(jí)比定時(shí)器中斷的優(yōu)先級(jí)高。通信中斷包括接收中斷和發(fā)送中斷兩種情況，并需根據(jù)需要進(jìn)行切換控制和處理。平時(shí)處于接收中斷允許狀態(tài)，當(dāng)收到上位機(jī)輪詢報(bào)文時(shí)即組織發(fā)送報(bào)文，將報(bào)文幀送到發(fā)報(bào)緩沖區(qū)，啟動(dòng)發(fā)送中斷和發(fā)送計(jì)數(shù)器，在以后的發(fā)送中斷任務(wù)中按計(jì)數(shù)器發(fā)送一個(gè)字節(jié)直到發(fā)完該幀即禁止發(fā)送中斷。如收到上位機(jī)數(shù)據(jù)/命令報(bào)文頭則清理收?qǐng)?bào)緩沖區(qū)，等待下次接收中斷字節(jié)。

4.2 模塊化的軟件設(shè)計(jì)

　　本控制器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序明晰簡(jiǎn)潔。同時(shí)各模塊間相對(duì)獨(dú)立，可以單獨(dú)調(diào)試，程序擴(kuò)充時(shí)，不要更改原有的結(jié)構(gòu)，只需修改相應(yīng)的模塊。根據(jù)圖2中系統(tǒng)任務(wù)的劃分，程序模塊主要由主控程序及定時(shí)器中斷程序模塊、通信程序模塊、顯示及鍵盤(pán)處理模塊、輸入輸出及控制量計(jì)算模塊構(gòu)成。各模塊之間的聯(lián)系是采用單片機(jī)的邏輯處理功能，設(shè)置標(biāo)志位，通過(guò)查詢標(biāo)志位的操作進(jìn)行控制和調(diào)用。
　　由于篇幅的原因，就不詳細(xì)介紹各模塊工作的流程。

5 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　本文的應(yīng)用對(duì)象是蓄電池工廠的極板或密閉電池充放電控制裝置，為了降低成本，便于管理并提高系統(tǒng)可靠性，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以采用小型的分散型控制系統(tǒng)，即兩層結(jié)構(gòu)：分散的多回路控制器配一個(gè)操作站（俗稱上位機(jī)和下位機(jī)）。通過(guò)低成本、高可靠的RS-485實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)十臺(tái)多回路控制器與PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的集中監(jiān)控操作。上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信包括數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)上裝、命令下發(fā)等。通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：
　　（1）系統(tǒng)物理層協(xié)議采用RS－485標(biāo)準(zhǔn)，為了在允許范圍內(nèi)盡量提高通信速率，波特率選擇了非標(biāo)準(zhǔn)的3125bps。當(dāng)上位機(jī)采用軟件輪詢方式與20個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器逐個(gè)通信，通過(guò)適當(dāng)?shù)能浖O(shè)計(jì)，可基本滿足充放電過(guò)程操作的實(shí)時(shí)性要求。
　?。?）據(jù)鏈路層協(xié)議參考HDLC，采用短幀定長(zhǎng)傳送，每幀有效字節(jié)為7個(gè)。應(yīng)用層要求實(shí)現(xiàn)即時(shí)數(shù)據(jù)上裝、歷史數(shù)據(jù)上裝、控制參數(shù)數(shù)據(jù)下載和命令下發(fā)等功能。
　?。?）本系統(tǒng)采用主站輪詢的主從方式，由主站發(fā)起通信，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)沖突；由主站選擇它要求通信的次站，各次站可以有不同的優(yōu)先級(jí)。相對(duì)于總線式控制網(wǎng)絡(luò)，這種方式易于理解和實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行表明，該多回路化成充放電控制器具有較好的人機(jī)對(duì)話窗口，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，參數(shù)設(shè)置靈活，有較強(qiáng)的適應(yīng)性。系統(tǒng)軟硬件設(shè)備工作正常，功能齊全，穩(wěn)定可靠，具有完善的系統(tǒng)自診斷、故障定位功能。而且具有成本低、體積?。?0×160×100）的特點(diǎn)。


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