基于單片機的車載電源控制系統(tǒng)設(shè)計

李麗霞 李健

(同方電子科技有限公司研究所江西九江332002）

1 引言

在實際使用中，電源對于一個電子設(shè)備系統(tǒng)至關(guān)重要，電源正常工作是電子通信系統(tǒng)[1]可靠工作的前提，以前，大多數(shù)電源沒有微機控制電路，只有電源轉(zhuǎn)換電路和簡單的開關(guān)按鍵控制電路；隨著科技的發(fā)展，人們對電源人機界面交互功能更直觀的需求日益增加，逐漸在單電源單元設(shè)計微機控制電路，主要用來實現(xiàn)電源各路電壓和電流顯示等功能，通常使用數(shù)碼管顯示；由于電源在設(shè)備中的重要性逐漸提高，對電源的穩(wěn)定性和可靠性以及自動化控制[2]要求也更高，在一些車載中設(shè)計具有顯示電源參數(shù)和狀態(tài)等功能的電源綜合控制單元。為了對車載整體電源狀態(tài)進行全面地實時監(jiān)測，對電源故障提前預警，快速地對電源故障進行排查，設(shè)計了一款采用單片機外接顯示和語音電路的電源控制盒，實現(xiàn)通信車電源[3]狀態(tài)的全面管理和監(jiān)控功能。

2 總體設(shè)計方案

系統(tǒng)的構(gòu)成：系統(tǒng)主要由微機控制模塊、語音報警電路、面板顯示及按鍵單元和通信電路等組成。系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。電源控制盒與車載電源單元1和車載電源單元2分別通過RS422進行信息交互，電源控制盒下發(fā)開關(guān)機、電源電壓輸出關(guān)閉以及電源電壓輸出值設(shè)定等命令給各電源單元，電源單元上報各路輸出電源的電壓和電流及工作狀態(tài)；電源單元通過檢測控制電路[4]把當前的各路輸出電壓和電流等送給電源單元的單片機C8051F020自帶的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，單片機檢測出電源的電壓和電流等參數(shù)，并通過RS422接口上報給電源控制盒，電源控制盒計算當前各路電源上報的輸出電壓和電流值，并判斷其是否在正常工作參數(shù)范圍內(nèi)，如在正常范圍內(nèi)，則電源控制盒通過面板彩色液晶顯示屏實時顯示當前車載電源單元各路電源電壓和電流的值以及電源的工作狀態(tài)；如不在正常參數(shù)范圍，電源控制盒在面板上顯示當前電源故障類型，如過壓、過流和欠壓等，同時控制語音報警電路進行語音報警，從而實現(xiàn)車載電源的故障顯示報警和語音報警，實現(xiàn)了電源管理的自動化。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖

2.1 硬件設(shè)計

該電源控制盒系統(tǒng)硬件主要由CPU芯片C8051F020為主控核心，外接串口、語音報警和顯示按鍵等功能電路模塊；設(shè)計C8051F020的P0口配置成串口0、串口1，串口0和串口1通過MAX3074EESA接口轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)TTL電平與RS422電平[5]之間的相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電源控制盒與電源1、電源2單元通信；CPU的 P1.0～P1.7口線分別與語音報警芯片ISD1420的A0～A7相連接用于設(shè)置錄放音的起始地址，CPU的P2口線連接語音報警芯片的REC-、PLAYE-及PLAYL-等控制管腳對芯片的錄放音進行控制；CPU的P3口連接按鍵掃描控制線用于鍵值讀??；P4和P5口連接液晶顯示屏數(shù)據(jù)、地址及控制線用于顯示電源狀態(tài)。

主控CPU芯片C8051F020單片機是Silabs集成產(chǎn)品公司推出的C8051F系列芯片中的一款8位嵌入式單片機，采用CIP-51CPU模式；集成度高，功能強大；I/O口交叉開關(guān)可以動態(tài)配置；功耗低；溫度范圍寬；基于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試功能方便調(diào)試，是一款性價比較高的嵌入式單片機[6]。C8051F020單片機芯片的管腳分布圖和芯片資料可參閱C8051F020相關(guān)數(shù)據(jù)手冊。

串口通信電路主要采用RS422與各電源單元進行交互，RS422接口是差分雙絞形式，具有抗干擾能力強，數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸距離遠，可掛接多個接收端等特點，電源控制盒通過RS422接口向各路電源單元下發(fā)開關(guān)機和電壓設(shè)置等命令；各路電源單元向電源控制器報告當前的工作電壓、工作電流以及工作狀態(tài)等參數(shù)，實現(xiàn)電源原始參數(shù)的采集；RS422接口芯片采用MAX3074EESA接口芯片，雙絞線端加120Ω平衡電阻，RS422接口電路如圖2所示。

圖2 RS422接口轉(zhuǎn)換電路圖

語音報警電路主要采用ISD1420芯片[7]，該芯片是美國ISD公司的一款單片永久記憶型語音錄放集成電路芯片，外圍電路簡單，零功耗存儲，內(nèi)部設(shè)有時鐘振蕩器、128KE2PROM（電可編、電可擦只讀存儲器）、前置放大器、自動增益電路、反混疊濾波器、模擬轉(zhuǎn)發(fā)器、平滑濾波器和差分功放等基本功能電路。外圍電路由駐極體話筒、一個揚聲器、少量電阻和電容構(gòu)成，選址能力強，具有分段錄放功能，處理多達160段語音信息，20 s錄放時間，ISD1420芯片管腳主要包括8根地址輸入線A0～A7，功放輸出端SP+和SP-分別接揚聲器（+）和揚聲器（-）端；模擬量輸入ANA IN；模擬量輸出ANA OUT；駐極體話筒輸入MIC；邊緣觸發(fā)放音端PLAYE；電平觸發(fā)放音端PLAYL；錄音觸發(fā)端REC-以及發(fā)光二極管接口端RECLED，ISD1420芯片各管腳詳細功能定義請參閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊。

錄音：面板設(shè)置錄音后，CPU置REC-管腳為低電平，V1錄音指示燈亮，此時對著話筒講話則可錄音。當錄音時間到，關(guān)閉錄音，CPU置REC-為高，則LED熄滅，錄音結(jié)束。放音：CPU置PLAYL-為低電平，則電平觸發(fā)放音，或CPU置PLAYE-下降沿也可觸發(fā)放音。

按每秒可讀3個漢字計算，20 s可分段儲存60多個漢字語音。在軟件支持下，可劃分成若干段完整的長短語句。A0～A7：00000000～10011111，表明160段語音信息。A0～A7決定每段起止地址，反映錄放音的起止時間，時間關(guān)系公式：T=0.125×(128A7+64A6+32A5+16A4+8A3+4A2+2A1+A0)。根據(jù)以上計算公式，下表每段語音小于等于3個漢字，則按每段2 s時間設(shè)計，每單位值為0.125 ms，計算出各段語音的起始地址，A7為0，A6～A0值如表1所示。

表1 ISD1420錄音地址的真值表

顯示按鍵功能電路主要為人機交互接口[8]，顯示當前各路電源的電壓、電流及工作狀態(tài)等參數(shù)，按鍵用來輸入開、關(guān)機命令和錄音啟動停止等，顯示屏采用彩色液晶屏顯示，故障時設(shè)計用紅色字體顯示，正常時使用綠色字體顯示，可以提高視覺效果。

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由主程序、串口中斷程序[9]以及功能子程序模塊構(gòu)成，主程序如圖3所示，主要包括初始化程序、狀態(tài)檢測程序、串口服務(wù)程序和按鍵控制程序。串口服務(wù)程序；初始化程序?qū)PU的各管腳及系統(tǒng)進行配置，對寄存器進行初始化；狀態(tài)檢測程序流程圖如圖4所示，檢測計算當前電源工作參數(shù)是否正常，為了消除干擾，對檢測值進行軟件濾波，取5次采樣平均值，檢測的電源工作參數(shù)如果在正常工作參數(shù)范圍內(nèi)則實時顯示電源參數(shù)實際值，如不正常則進行顯示報警及語音報警處理；串口服務(wù)程序用來對接收到電源單元上報的數(shù)據(jù)包進行解析處理；按鍵控制程序?qū)Π存I進行掃描，檢測到有鍵按下，進行相應(yīng)的鍵值服務(wù)程序。串口中斷程序包括中斷保護、串口數(shù)據(jù)接收緩存并置串口服務(wù)標志以及串口中斷恢復等，主要完成串口數(shù)據(jù)的接收和緩存，收完完整的數(shù)據(jù)包后置串口服務(wù)標志，傳遞給串口服務(wù)程序進行處理。

圖3 主程序流程圖

圖4 狀態(tài)檢測程序流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 語音報警設(shè)計

系統(tǒng)通過選用ISD1420語音芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)各種故障語音報警功能，該芯片集成度高，功能強大，降低了語音報警設(shè)計的復雜性，使用時，先把要播放的報警語音段分別錄制到語音芯片的存儲器中，通過錄音按鍵與錄音人員語音配合進行錄制，為了進行清晰實時的語音報警，語音錄制是首要解決的問題之一，為了充分利用電源控制盒平臺，系統(tǒng)設(shè)計通過單片機軟件配合按鍵，實現(xiàn)系統(tǒng)語音錄放一體功能，為了確保播放出的語音干凈清晰，錄音應(yīng)在一個安靜的空間進行，否則錄音時會把周圍環(huán)境噪聲也錄到語音芯片中，這樣經(jīng)過音頻放大播放出來語音會含有較大的噪音。語音錄制完后，可通過單片機軟件控制語音芯片的地址和播放控制線對多段報警語音分別播放，該語音報警電路稍做修改，錄制不同的語音，就可以擴展應(yīng)用到其他需要語音報警提示的場合，如常見的公交車站到站提示等，如果錄音內(nèi)容較多，錄音存儲器容量不夠，可選擇時間更長的語音芯片。

3.2 RS422通信技術(shù)

系統(tǒng)采用RS422接口分別與2個電源單元進行交互，RS422接口具有電路簡單、可靠性較高以及成本適中等特點，在使用RS422接口的時候，一對收和一對發(fā)線應(yīng)分別采用一對雙絞線，并且需注意阻抗匹配，系統(tǒng)設(shè)計采用120Ω匹配電阻，如圖2所示，可以增加系統(tǒng)通信的抗干擾能力，提高通信距離，適當降低速率也可以延長通信距離，系統(tǒng)采用9 600 bit/s的通信速率能可靠的進行通信，由于電源里面干擾比較多，為了保證系統(tǒng)的可靠性，需對電源檢測IO口線、A/D檢測口線進行濾波，保證檢測源數(shù)據(jù)的準確性。

4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

為了測試系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果，搭建了一個仿真測試平臺，使用RS422通信雙絞線把電源控制盒與2個電源單元互連，使用WYK-303B2直流雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源輸入電源單元1和電源單元2的電壓及電流檢測端，把電源電壓調(diào)至超過設(shè)定的正常門限范圍，電源控制盒顯示屏顯示當前電源故障類型，同時語音報警提示，然后把檢測值調(diào)回正常范圍，電源控制盒顯示各路電壓和電流實際值，無語音報警；在實際應(yīng)用時，發(fā)現(xiàn)有時電源控制盒顯示數(shù)據(jù)會中斷，經(jīng)排查分析發(fā)現(xiàn)，是電源單元繼電器切換時，產(chǎn)生干擾導致單片機復位引起，采取加強單片機復位管腳的濾波后系統(tǒng)工作正常；經(jīng)試驗表明，該系統(tǒng)能滿足車載系統(tǒng)電源預警功能，推動了電源自動化進程。

5 結(jié)束語

由于電源在電子設(shè)備中非常通用，重要性也常被忽視，但經(jīng)常出問題的往往是電源單元，如果系統(tǒng)電源不可靠，則整個系統(tǒng)無法順利的工作，所以對于車載系統(tǒng)來說，電源是系統(tǒng)正常工作的根本，電源控制盒提高了電源的可靠性、提前預警，加快了故障判斷時間，減小了維修時間，使電源從一個不可見的單元到可自動顯示報警，并可實時監(jiān)控電源工作狀態(tài)，大大提高了電源的自動化程度。

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