基于ARM9的機車蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

金乾坤，郭佑民，劉 娟，朱 鵬

(蘭州交通大學機電技術(shù)研究所， 蘭州730070)

基于ARM9的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用S3C2410芯片作為主處理器，在機車行駛的過程中對各節(jié)蓄電池電壓和溫度數(shù)據(jù)不停頓地采集、匯總、分析和存儲。同時通過外接LCD實時顯示電壓和溫度數(shù)據(jù)。最后SD卡轉(zhuǎn)存到PC機，通過地面分析軟件繪制出電池電壓，溫度曲線。監(jiān)測系統(tǒng)能快速找出端電壓上升或下降較快的一只或幾只電池，將其確認為需要更換的電池，同時所采集數(shù)據(jù)也可進一步用于建立蓄電池質(zhì)量模型。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)由上位機和下位機2部分組成。上位機采用S3C2410作為處理芯片，完成數(shù)據(jù)的收集，比較和分析，實時顯示和存儲。下位機采用AVR單片機ATmega16作為核心，主要用于對蓄電池電壓溫度的采集和上傳。上位機與下位機通過485總線通信，蓄電池4節(jié)為一組，由一個下位機控制。上位機采取對每個下位機輪詢的方式實現(xiàn)蓄電池數(shù)據(jù)的收集。上位機所需電源由所有蓄電池提供，通過DM05-110s05電壓轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)110 V～5 V的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)ASM1117轉(zhuǎn)換為3.3 V供系統(tǒng)使用。下位機電源由它監(jiān)測的4節(jié)蓄電池提供，經(jīng)ASM1117轉(zhuǎn)換供下位機使用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 上位機

2.1.1 S3C2410芯片

S3C2410芯片是基于ARM920T內(nèi)核的16/32 bitRISC嵌入式微處理器，同時增加了豐富的外圍資源，有利于系統(tǒng)開發(fā)。ARM920T由ARM9TDMI、存儲管理單元（MMU）和高速緩存3部分組成。其中MMU可管理虛擬內(nèi)存，高速緩存由獨立的16 kbit地址和16 kbit數(shù)據(jù)高速Cached組成。

該芯片集成了1個LCD控制器，NAND FLASH控制器、SDRAM控制器、3個通道的UART等豐富的外部接口；在時鐘方面也有突出的特點，該芯片集成了一個具有日歷功能的RTC（實時控制）和具有PLL（MPLL和UPLL）的芯片時鐘發(fā)生器。MPLL產(chǎn)生主時鐘，使處理器工作頻率最高達到203 MHz在。

時鐘電路分為系統(tǒng)主時鐘和實時時鐘(RTC)。系統(tǒng)主時鐘用于向CPU及其接口電路提供工作時鐘，RTC為系統(tǒng)提供確切的時間，用于記錄電池的電壓，溫度數(shù)據(jù)的時間及定期存儲電池參數(shù)。系統(tǒng)主時鐘通過設(shè)置時鐘模式位OM[3:2] =00，采用外接晶振，由內(nèi)部時鐘電路產(chǎn)生時鐘的方式，CPU原有的外部時鐘直接輸入功能被禁止。外接晶振的頻率是12 MHz，系統(tǒng)時鐘頻率可由軟件設(shè)置，提高了系統(tǒng)靈活性。

2.1.2 存儲器接口

由于本系統(tǒng)采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，且微處理器S3C2410沒有足夠的片內(nèi)存儲空間，需要對片外RAM和ROM進行相應(yīng)的擴展。本系統(tǒng)采用市場上運用較多的K9F1208U0M，是64 M的8 bitNAND FLASH。其與處理器連接的電路如圖2。采用2片HY57V561620并聯(lián)構(gòu)建32 bit的SDRAM存儲器系統(tǒng)，共64 Mbit的SDRAM存儲空間，可滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種較復雜算法的運行。

圖2 NAND Flash 電路圖

2.1.3 LCD和SD卡接口

S3C2410集成了LCD控制器，LCD控制器相當于嵌入式系統(tǒng)的顯卡，負責把顯存中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃CD驅(qū)動器，并產(chǎn)生必須的LCD控制器信號。設(shè)計中采集的電壓和溫度數(shù)據(jù)定時導入顯示緩沖區(qū)，刷新顯示。S3C2410內(nèi)置有SD/MMC控制器，可以支持SD卡。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)被保存在數(shù)據(jù)文件中，當保存一定量的數(shù)據(jù)時，掛載SD卡，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到SD卡中。

2.2 下位機

下位機由ATMEGA16，溫度傳感器DS18B20，蓄電池電壓信號和485通信接口組成。主要功能是測量蓄電池電壓和溫度，并傳送給上位機。ATmega16自帶10 bitA/D轉(zhuǎn)換器，只需把電壓信號直接接入A/D口。DS18B20是1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器，溫度測量范圍為-55℃～125℃，9 bit-12 bit可編程的轉(zhuǎn)換精度。溫度測量電路如圖3。

圖3 溫度測量電路

3 軟件設(shè)計

3.1 嵌入Linux平臺構(gòu)建

軟件結(jié)構(gòu)由3個層次組成，如圖4。設(shè)備驅(qū)動層依賴于底層硬件，中間層Linux操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)是連接設(shè)備驅(qū)動層和應(yīng)用程序?qū)拥募~帶。應(yīng)用程序?qū)又饕行铍姵乇O(jiān)測軟件和GUI。整個Linux系統(tǒng)共有4個部分：引導Linux 的Bootloader，系統(tǒng)選用u-boot1.3.2，Linux內(nèi)核2.6.18，Cramfs文件系統(tǒng)，用戶空間。它們位于NAND Flash中不同的分區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)空間分配結(jié)構(gòu)如圖5。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)圖

圖5 系統(tǒng)空間分配圖

3.2 監(jiān)測軟件

監(jiān)測軟件采用C語言編寫，系統(tǒng)啟動后自動運行。主要完成對下位機的查詢，接收下位機傳送的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理和顯示，并保存在數(shù)據(jù)文件中。軟件流程如圖6。

圖6 軟件流程圖

4 結(jié)束語

基于ARM9的機車蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)功能的不同，具體實現(xiàn)分成兩部分。上位機采用ARM9內(nèi)核的S3C2410芯片作為主處理芯片，同時采用ATmega16作為下位機芯片，完成對機車蓄電池狀態(tài)（電池電壓，溫度）的采集、收集和存儲的過程。同時上位機使用Linux作為操作系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的容錯性和擴展性。目前系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)完成，并完成各模塊的功能試驗。運行情況表明：系統(tǒng)穩(wěn)定性好，測量精度較高。

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