基于C8051F040的特種車輛電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

0 引言
    汽車在行駛過程中，擁有一個穩(wěn)定的電源系統(tǒng)，是汽車各個電子器件正常工作最基本的保障。當(dāng)電源部分發(fā)生故障時，為了排除故障，我們需要實時地了解電源發(fā)生故障時候的狀態(tài)。這就要求我們能夠在電源發(fā)生故障的瞬間，能夠捕捉電源實時的故障數(shù)據(jù)，并能在故障環(huán)境下穩(wěn)定的保存下來。對系統(tǒng)電源參數(shù)進(jìn)行實時采集和記錄，能更好地了解系統(tǒng)電源的實際工作情況，從而可以在測試和定型試驗中掌握更準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，電源監(jiān)控系統(tǒng)的目的就在于。對系統(tǒng)的電流電壓進(jìn)行實時測量和記錄，在回收后，通過串口或USB與PC機(jī)連接，將采集到的數(shù)據(jù)及時傳到PC機(jī)中進(jìn)行分析處理，此種設(shè)備與飛機(jī)、輪船上的“黑匣子”有類似的地方。經(jīng)特種車輛試驗證明，該系統(tǒng)擁有抗過載沖擊、抗干擾、數(shù)據(jù)斷電不丟失，三防性能好等特點，外接實時時鐘芯片，最小采樣周期可達(dá)0．1 ms，可以有效的捕捉電壓跳變瞬間，并可以實時記錄下故障數(shù)據(jù)，滿足了實際的要求。本文以電源監(jiān)控系統(tǒng)與PC機(jī)連接采用串口為例進(jìn)行介紹。

1 電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計
    電源監(jiān)控系統(tǒng)的電壓采樣精度要求為0．1％，電流采樣精度為1％。其中電壓兩路，電流兩路。為此采用混合型單片機(jī)C8051F040，采用12位的 ADC，最大采樣速率為200 kHz,，其次電源監(jiān)控系統(tǒng)對存取速度和掉電不丟失的要求，現(xiàn)有的FLASH很難滿足要求。為此需選用鐵電存儲器(FRAM)，F(xiàn)RAM是Ramtron 公司近年推出的新款掉電不揮發(fā)存儲器，他結(jié)合了高性能和低功耗操作，能在沒有電源的情況下保存數(shù)據(jù)。FRAM克服了E2PROM和FLASH寫入時間長、擦寫次數(shù)低的缺點，相對于鋰電池+SRAM的方案增加了數(shù)據(jù)的可靠性。FM20L08的存儲容量為128 k×8 b，其主要特點如下：3．0 V～3．65 V單電源供電；并行接口；提供SOIC和DIP兩種封裝；功耗低，靜態(tài)電流小于15，讀寫電流小于10 mA；掉電后數(shù)據(jù)能保存10年；讀寫無限次。

2 電源監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理和硬件連接
    系統(tǒng)復(fù)位成功后，開始數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)所要求的電壓進(jìn)行比較，如果符合系統(tǒng)電壓要求的范圍，做拋棄處理；否則存儲到FRAM存儲器中。數(shù)據(jù)存儲滿后，停止采集，報警。系統(tǒng)原理如圖1所示。

    對系統(tǒng)電壓通過比例電阻加反向二極管進(jìn)行采樣，采樣范圍為9 V～36 V。電流的采樣采用多極電流傳感器LTS25-NP，采樣范圍為直流16 A～20 A。采樣方式把多極電流傳感器串聯(lián)到電路中，由于多極電流傳感器的電阻很小，為0．18 mΩ，不會產(chǎn)生壓降，符合設(shè)計說明書的要求。
    單片機(jī)對串口的擴(kuò)展已經(jīng)有很成熟的范例，本文不再列出，下面只列出單片機(jī)控制FRAM的原理圖。在本系統(tǒng)中采用的是地址信號復(fù)用模式，這樣可以產(chǎn)生ALE 信號。FM20LO8自身帶有鎖存器，并且片選信號CE不能像SRAM一樣直接接地，需要一個預(yù)充電時間，這個信號有HC04和HC32產(chǎn)生。而且地址信號需要在他的下降沿進(jìn)行鎖存，具體擴(kuò)展如圖2所示。

3 軟件設(shè)計
3．1 電源監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    電源監(jiān)控系統(tǒng)軟件分為主程序、數(shù)據(jù)采集程序、串口通訊程序。工作過程為：電源監(jiān)控系統(tǒng)首先上電，復(fù)位后，使單片機(jī)進(jìn)人數(shù)據(jù)采集的子程序并進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)FRAM寫滿后，停止采集，并且報警，進(jìn)入主循環(huán)階段。等待串口信號進(jìn)行外部觸發(fā)，從而進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸子程序。如果此時不進(jìn)行錯誤數(shù)據(jù)傳輸，下次復(fù)位之后，進(jìn)入等待狀態(tài)且不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直到收到數(shù)據(jù)采集指令，如果串口信號有外部觸發(fā)，將錯誤數(shù)據(jù)通過串口送入PC機(jī)。程序流程如圖3所示。

3．2 電源監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)程序設(shè)計
    建立穩(wěn)定可靠、方便快捷的數(shù)據(jù)通信是本系統(tǒng)最終實現(xiàn)其功能的必要條件。在 Windows XP下，利用VC++6．0的通信控件MSCOMM進(jìn)行軟件的設(shè)計，實現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交換，只需要對端口進(jìn)行簡單的設(shè)置即可。在Windows環(huán)境下，串口是系統(tǒng)資源的一部分，應(yīng)用程序通過提出資源申請要求(打開串口)，通信完成后必須釋放資源(關(guān)閉串口)。

4 結(jié)論
    本記錄儀具有自身特點，具有采集速度快、抗過載、三防性能好等優(yōu)點，經(jīng)車載模擬試驗證明，能夠滿足試驗的要求，可以有效的捕捉電壓跳變瞬間，并可以實時記錄下故障數(shù)據(jù)，解決了現(xiàn)有的試驗問題，達(dá)到設(shè)計說明書要求。進(jìn)行電壓錯誤數(shù)據(jù)監(jiān)控時的波形顯示結(jié)果如圖4所示。