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摘 要：为了更科学、直观的掌握电池的充放电特性，设计了基于MATLAB的蓄电池充放电监控系统。主要有包括蓄电池容量检测、蓄电池损坏度检测、蓄电池充电状态检测等。利用检测电路采样温度、电流、电压等性能指标，通过串口和CAN总线等方式上传到上位机。利用MATLAB编写上位机的分析软件，实时地反映了蓄电池充放电过程中的状态。
关键词：充放电检测；多任务调度；时间片轮转；串口工具箱；句柄绘图
随着石油价格的不断调高，人们承担了越来越多的燃料成本压力。多数人开始关注以其他能源为能量的交通工具，以电池为能量来源的出行工具越来越多。而电池的安全、寿命等性能也日益引起人们的关注。目前能够被电动自行车采用的有以下三种：铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。因为铅酸蓄电池成本低，性价比高，现在的电动车上绝大多数装的是铅酸蓄电池。本文就针对单节铅酸蓄电池设计的充电特性监测系统。
1 系统概述
与电池充放电有关的参量包括：电池端电压、充电电流、电池温度等。因此，系统需要实现这三个参数的准确采集。系统框图如图1所示，系统由MCU、模拟采样电路、温度采集电路和上位机组成。MCU采集电池充放电时端电压、电流和温度信息，然后信息通过串行通信接口发送到上位机，再由MATLAB接收处理，并绘制曲线。电流和电压每秒采集10次，温度每秒采集1次。MCU每秒向上位机传递一组数据，MATLAB跟踪更新数据，达到动态显示电压、电流、温度的效果。
2 硬件设计
2.1 MCU选择
本监测系统的MCU选用了STC12C5A60S2，芯片资源有：60K的flash，1280字节高速RAM，8通道10位A/D、2通道UART、2通道16位定时器、1通道内部看门狗定时器。晶振选择为11.0592MHz。
2.2 温度采集芯片选择
温度采集的电路芯片选用Dallas公司生产的DS18B20，它是DALLAS公司生产的线式数字温度传感器，采用3引脚T0-92型小体积封装；温度测量范围为-55℃～+125~C，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字方式串行输出。具有直接输出数字信号，不存在信号传输过程干扰、扩展方便、不需要设计另外的信号调制电路等优点。
为了使温度的采集更准确，本系统使用两片DS18B20，A/D转换精度选择为12位，贴在电池壁的不同位置。
2.3 电流和电压检测电路设计
电压检查使用电阻分压，经电压跟随电路到A/D转换接口。运放的作用是提高输入阻抗，减小检测电路对充电电路的影响，提高测量精度。
电流检测有两种方法：高端检测和低端检测。低端检测实现起来比较容易，但是这种方案的坏处是负载会比实际地线抬高一个直流电压，測量不准确；另外，电源和负载具有不同的参考地，对EMI的控制不利。高端检测的难点在于输入端存在共模电压，测量电路复杂。本系统采用Maxim的MAX4173来测量差模电压，其内部包括一个差分放大器 。选择两片MAX4173能够实现电流的双向采样，电流检测电路如图2所示。
3 MCU软件设计
MCU完成功能包括读两路A/D转换(电压、电流)；读两路DS18B20转换结果；串口通信。电压、电流变化较为剧烈，采样周期要短，但周期短会造成数据量大，加重传输和数据分析负担，经权衡，取电压、电流的采样周期为0.1s。温度是一个时间参数较长的物理量，可以放宽采样时间，这里取采样周期为1s。
3.1 MCU程序
为协调各个功能的实现，本文参考了多任务调度算法和时间片轮转算法。多任务调度算法，是按照实际要求将单片机要实现的功能划分成多个任务模块，并规定优先级别，由一个任务调度模块统一控制执行顺序。CPU的控制权按不同优先级分配给不同的任务模块，各个模块分别在自己的执行时间内访问CPU，形成微观上轮流执行，宏观上并发运行的多任务效果，如图3所示。
本系统中的几个任务对时间要求比较敏感，单纯使用多任务调度不能满足需求。结合时间片轮转算法，在任务分配时考虑时间限制，并将任务区分优先级。优先级高的任务先执行。为保证采样周期的稳定，A/D转换和启动温度转换的优先级较高，串口发送晚几十毫秒不会造成不良影响，所以优先级较低。程序简要流程如图4所示。
其中，任务调度模块包含各任务的时间信息，如A/D转换0.1s一次，启动温度检测1s一次，读温度则40ms一次，串口发送0.1s一次。若任务中包含多个子功能快，借鉴有限状态机(FSM)算法，每次执行一个子功能，直到本任务执行完成。
其中A/D转换比较简单，不再赘述。主要注意一点，启动A/D后要等待转换完成再读结果，否则读出的是将上次转换结果 。
void do_sent_data16(UINT data_sent)
{
while (ASIF6 & 0x02) /*等待转换完成 */
;
TXB6 = data_sent >> 8;
while (ASIF6 & 0x02)
;
TXB6 = data_sent;
}
3.2 DS18B20程序
DS18B20的操作分为3个步骤：初始化、ROM命令和DS18B20功能命令。DS18B20的操作时序如图5所示。从时序图中可以得出，DS18B20对操作时序要求比较严格，否则将导致操作失败。
根据时序图所示，每读一位数据需要60us延时，为了延时精确，采用的方法是查看汇编语言，计算需要加入的空指令(NOP)个数。
根据时序要求编写代码后，有如下统计，启动温度转换时间约为2.5ms，读温度时间约为10.25ms，这些时间量都远小于一个时间片(20ms)的长度，符合要求。为达到12位精度，器件手册要求两次启动温度转换时间间隔不得低于750ms。温度采集1s一次可以实现。读取温度任务流程图如图6所示。
图6中，SenseNo是指DS18B20的序号，SENSE_CNT为器件总数。读取不同DS18B20的方法是器件自身的ID，这个ID可以通过程序读出，但较为繁琐。为了减轻程序的负担，我们事先通过其他方式读出每个器件的ID，读温度时直接使用，简化了任务。
3.3 通信规约
系统每1s将采样的数据传递给上位机，为了保证传输可靠，制定如下通信规约：
共4组数据，电压(24Byte)、电流(24Byte)、温度1(6Byte)、温度2(6Byte)。波特率取19200bps时，最长的一组传输时间约为12ms，小于一个时间片长度，满足要求。任务中，每次发送一组数据，算法类似读温度任务。
4 MATLAB程序设计
为了便于作图和数据分析，我们采用MATLAB作为上位机开发工具。主要任务包括与MCU串口通信；数据的尺度变换；并在同一界面上画出4条曲线。
4.1 串口通信及数据处理
从Matlab6.0 版本开始，Mathworks 公司在软件中增加了设备控制箱(instrument control toolbox)，提供了对RS-232/RS-485 通信标准的串口通信的正式支持。利用该工具箱的serial类及instrcallback回调函数，能可靠地进行实时串行通信。
串口操作的顺序是(1)创建串口并设置属性；(2)打开串口；(3)读写串口操作；(4)关闭并清除串口设备对象。
读取数据后，根据规约提取电压、电流和两路温度数据。由于这些数据为原始的A/D转换数据，没有实际的物理意义，所以需要进行尺度变换。即将数据代表的物理意义表示出来。比如，电压检测，A/D参考电压为5V，那么对于10位ADC来说，转换结果N代表的电压值为：N*5/1024。尺度变换完成后存入缓冲区。
4.2 句柄绘图
系统需要显示3个物理量，电压、电流和温度。由于物理单位、采样周期不同，需要绘制3个坐标系分别显示。MATLAB中并没有提供这样的绘图函数，这里用到了MATLAB的句柄绘图功能。
MATLAB在创建每一个图形对象时，都为该对象分配唯一的一个值，称其为图形对象句柄(Handle)。句柄是图形对象的唯一标识符，不同对象的句柄不可能重复和混淆。图形对象包括根屏幕、窗口、坐标轴、线等。所谓的句柄作图就是利用底层绘图函数，通过对对象属性的设置(Handle Graphics)与操作实现绘图。
5 运行实例分析
使用该系统对一节铅酸蓄电池(12V)充电进行监控，电脑效果如图7所示：
图7中，横坐标为时间轴，每秒更新一次；纵坐标有三个，分别是左侧坐標电流和电压，右侧坐标温度；电流曲线为红色，电压为黑色，温度1为蓝色实线，温度2为蓝色虚线，4条曲线分别对应各自的坐标。
一般情况下，由于蓄电池内阻，电化学反应速度等因素影响，充电时的端电压要比静置时高，放电时要比静置时低。蓄电池使用时间越长内阻越高，对充放电电流也就越敏感。如图所示，充电电流的微小变化(0.1A左右)引起了端电压的剧烈波动(9V左右)。蓄电池端电压对充电电流及其敏感，说明蓄电池内阻很大。另外，对于一节性能较好的的铅酸蓄电池，静置时电压在11V~13V之间，而该电池静置端电压不到6V。能够推断该蓄电池已经严重损坏。
6 结束语
通过该系统，我们能够非常直观地监控蓄电池端电压和充放电电流的关系，以及温度的变化，有助于研究蓄电池充放电特性，更加科学、高效地管理蓄电池，为电动汽车电源管理提供依据。
参考文献
[1] 张秋菊 王凤贺 多任务调度算法在单片机控制系统中的应用 《光电对抗与无源干扰》 2002年03期
[2] 陈劲松 陈新明 魏忠 时间片轮转算法在单片机程序设计中的应用 《电子技术应用》
[3] 薛天宇.一种实时多任务系统软件设计方法[J].电子技术应用，2001年04期
[4] 周航慈.单片机应用程序设计技术(修订版).北京航空航天大学出版社，2002年11月.ISBN：781077238
[5] 袁涛，李月香，杨胜利.单片机C高级语言程序设计及其应用.北京航空航天大学出版社.2001.10.ISBN：7810771175
[6] 施晓红，周佳.精通GUI图形界面编程北京大学出版社，2003 ISBN 7301061021
[7] 彭燕.蓄电池智能检测.微计算机信息.2007.23(1)
[8] 郭屹松.基于DS2438的智能电池监测系统设计.北京石油化工学院学报2008，16(3)
作者简介
张雷(1978-)，中级工程师，研究方向：电气工程。
收稿日期：2011-08-09
关键词：充放电检测；多任务调度；时间片轮转；串口工具箱；句柄绘图
随着石油价格的不断调高，人们承担了越来越多的燃料成本压力。多数人开始关注以其他能源为能量的交通工具，以电池为能量来源的出行工具越来越多。而电池的安全、寿命等性能也日益引起人们的关注。目前能够被电动自行车采用的有以下三种：铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。因为铅酸蓄电池成本低，性价比高，现在的电动车上绝大多数装的是铅酸蓄电池。本文就针对单节铅酸蓄电池设计的充电特性监测系统。
1 系统概述
与电池充放电有关的参量包括：电池端电压、充电电流、电池温度等。因此，系统需要实现这三个参数的准确采集。系统框图如图1所示，系统由MCU、模拟采样电路、温度采集电路和上位机组成。MCU采集电池充放电时端电压、电流和温度信息，然后信息通过串行通信接口发送到上位机，再由MATLAB接收处理，并绘制曲线。电流和电压每秒采集10次，温度每秒采集1次。MCU每秒向上位机传递一组数据，MATLAB跟踪更新数据，达到动态显示电压、电流、温度的效果。
2 硬件设计
2.1 MCU选择
本监测系统的MCU选用了STC12C5A60S2，芯片资源有：60K的flash，1280字节高速RAM，8通道10位A/D、2通道UART、2通道16位定时器、1通道内部看门狗定时器。晶振选择为11.0592MHz。
2.2 温度采集芯片选择
温度采集的电路芯片选用Dallas公司生产的DS18B20，它是DALLAS公司生产的线式数字温度传感器，采用3引脚T0-92型小体积封装；温度测量范围为-55℃～+125~C，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字方式串行输出。具有直接输出数字信号，不存在信号传输过程干扰、扩展方便、不需要设计另外的信号调制电路等优点。
为了使温度的采集更准确，本系统使用两片DS18B20，A/D转换精度选择为12位，贴在电池壁的不同位置。
2.3 电流和电压检测电路设计
电压检查使用电阻分压，经电压跟随电路到A/D转换接口。运放的作用是提高输入阻抗，减小检测电路对充电电路的影响，提高测量精度。
电流检测有两种方法：高端检测和低端检测。低端检测实现起来比较容易，但是这种方案的坏处是负载会比实际地线抬高一个直流电压，測量不准确；另外，电源和负载具有不同的参考地，对EMI的控制不利。高端检测的难点在于输入端存在共模电压，测量电路复杂。本系统采用Maxim的MAX4173来测量差模电压，其内部包括一个差分放大器 。选择两片MAX4173能够实现电流的双向采样，电流检测电路如图2所示。
3 MCU软件设计
MCU完成功能包括读两路A/D转换(电压、电流)；读两路DS18B20转换结果；串口通信。电压、电流变化较为剧烈，采样周期要短，但周期短会造成数据量大，加重传输和数据分析负担，经权衡，取电压、电流的采样周期为0.1s。温度是一个时间参数较长的物理量，可以放宽采样时间，这里取采样周期为1s。
3.1 MCU程序
为协调各个功能的实现，本文参考了多任务调度算法和时间片轮转算法。多任务调度算法，是按照实际要求将单片机要实现的功能划分成多个任务模块，并规定优先级别，由一个任务调度模块统一控制执行顺序。CPU的控制权按不同优先级分配给不同的任务模块，各个模块分别在自己的执行时间内访问CPU，形成微观上轮流执行，宏观上并发运行的多任务效果，如图3所示。
本系统中的几个任务对时间要求比较敏感，单纯使用多任务调度不能满足需求。结合时间片轮转算法，在任务分配时考虑时间限制，并将任务区分优先级。优先级高的任务先执行。为保证采样周期的稳定，A/D转换和启动温度转换的优先级较高，串口发送晚几十毫秒不会造成不良影响，所以优先级较低。程序简要流程如图4所示。
其中，任务调度模块包含各任务的时间信息，如A/D转换0.1s一次，启动温度检测1s一次，读温度则40ms一次，串口发送0.1s一次。若任务中包含多个子功能快，借鉴有限状态机(FSM)算法，每次执行一个子功能，直到本任务执行完成。
其中A/D转换比较简单，不再赘述。主要注意一点，启动A/D后要等待转换完成再读结果，否则读出的是将上次转换结果 。
void do_sent_data16(UINT data_sent)
{
while (ASIF6 & 0x02) /*等待转换完成 */
;
TXB6 = data_sent >> 8;
while (ASIF6 & 0x02)
;
TXB6 = data_sent;
}
3.2 DS18B20程序
DS18B20的操作分为3个步骤：初始化、ROM命令和DS18B20功能命令。DS18B20的操作时序如图5所示。从时序图中可以得出，DS18B20对操作时序要求比较严格，否则将导致操作失败。
根据时序图所示，每读一位数据需要60us延时，为了延时精确，采用的方法是查看汇编语言，计算需要加入的空指令(NOP)个数。
根据时序要求编写代码后，有如下统计，启动温度转换时间约为2.5ms，读温度时间约为10.25ms，这些时间量都远小于一个时间片(20ms)的长度，符合要求。为达到12位精度，器件手册要求两次启动温度转换时间间隔不得低于750ms。温度采集1s一次可以实现。读取温度任务流程图如图6所示。
图6中，SenseNo是指DS18B20的序号，SENSE_CNT为器件总数。读取不同DS18B20的方法是器件自身的ID，这个ID可以通过程序读出，但较为繁琐。为了减轻程序的负担，我们事先通过其他方式读出每个器件的ID，读温度时直接使用，简化了任务。
3.3 通信规约
系统每1s将采样的数据传递给上位机，为了保证传输可靠，制定如下通信规约：
共4组数据，电压(24Byte)、电流(24Byte)、温度1(6Byte)、温度2(6Byte)。波特率取19200bps时，最长的一组传输时间约为12ms，小于一个时间片长度，满足要求。任务中，每次发送一组数据，算法类似读温度任务。
4 MATLAB程序设计
为了便于作图和数据分析，我们采用MATLAB作为上位机开发工具。主要任务包括与MCU串口通信；数据的尺度变换；并在同一界面上画出4条曲线。
4.1 串口通信及数据处理
从Matlab6.0 版本开始，Mathworks 公司在软件中增加了设备控制箱(instrument control toolbox)，提供了对RS-232/RS-485 通信标准的串口通信的正式支持。利用该工具箱的serial类及instrcallback回调函数，能可靠地进行实时串行通信。
串口操作的顺序是(1)创建串口并设置属性；(2)打开串口；(3)读写串口操作；(4)关闭并清除串口设备对象。
读取数据后，根据规约提取电压、电流和两路温度数据。由于这些数据为原始的A/D转换数据，没有实际的物理意义，所以需要进行尺度变换。即将数据代表的物理意义表示出来。比如，电压检测，A/D参考电压为5V，那么对于10位ADC来说，转换结果N代表的电压值为：N*5/1024。尺度变换完成后存入缓冲区。
4.2 句柄绘图
系统需要显示3个物理量，电压、电流和温度。由于物理单位、采样周期不同，需要绘制3个坐标系分别显示。MATLAB中并没有提供这样的绘图函数，这里用到了MATLAB的句柄绘图功能。
MATLAB在创建每一个图形对象时，都为该对象分配唯一的一个值，称其为图形对象句柄(Handle)。句柄是图形对象的唯一标识符，不同对象的句柄不可能重复和混淆。图形对象包括根屏幕、窗口、坐标轴、线等。所谓的句柄作图就是利用底层绘图函数，通过对对象属性的设置(Handle Graphics)与操作实现绘图。
5 运行实例分析
使用该系统对一节铅酸蓄电池(12V)充电进行监控，电脑效果如图7所示：
图7中，横坐标为时间轴，每秒更新一次；纵坐标有三个，分别是左侧坐標电流和电压，右侧坐标温度；电流曲线为红色，电压为黑色，温度1为蓝色实线，温度2为蓝色虚线，4条曲线分别对应各自的坐标。
一般情况下，由于蓄电池内阻，电化学反应速度等因素影响，充电时的端电压要比静置时高，放电时要比静置时低。蓄电池使用时间越长内阻越高，对充放电电流也就越敏感。如图所示，充电电流的微小变化(0.1A左右)引起了端电压的剧烈波动(9V左右)。蓄电池端电压对充电电流及其敏感，说明蓄电池内阻很大。另外，对于一节性能较好的的铅酸蓄电池，静置时电压在11V~13V之间，而该电池静置端电压不到6V。能够推断该蓄电池已经严重损坏。
6 结束语
通过该系统，我们能够非常直观地监控蓄电池端电压和充放电电流的关系，以及温度的变化，有助于研究蓄电池充放电特性，更加科学、高效地管理蓄电池，为电动汽车电源管理提供依据。
参考文献
[1] 张秋菊 王凤贺 多任务调度算法在单片机控制系统中的应用 《光电对抗与无源干扰》 2002年03期
[2] 陈劲松 陈新明 魏忠 时间片轮转算法在单片机程序设计中的应用 《电子技术应用》
[3] 薛天宇.一种实时多任务系统软件设计方法[J].电子技术应用，2001年04期
[4] 周航慈.单片机应用程序设计技术(修订版).北京航空航天大学出版社，2002年11月.ISBN：781077238
[5] 袁涛，李月香，杨胜利.单片机C高级语言程序设计及其应用.北京航空航天大学出版社.2001.10.ISBN：7810771175
[6] 施晓红，周佳.精通GUI图形界面编程北京大学出版社，2003 ISBN 7301061021
[7] 彭燕.蓄电池智能检测.微计算机信息.2007.23(1)
[8] 郭屹松.基于DS2438的智能电池监测系统设计.北京石油化工学院学报2008，16(3)
作者简介
张雷(1978-)，中级工程师，研究方向：电气工程。
收稿日期：2011-08-09