基于can总线的蓄电池化成监控系统设计本科学位论文.docx
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基于can总线的蓄电池化成监控系统设计本科学位论文
学号2009043110
密级
哈尔滨工程大学本科生毕业论文
基于CAN总线的蓄电池化成监控系统设计
院（系）名称：
自动化学院
专业名称：
电气工程及其自动化
学生姓名：
郭衍龙
指导教师：
游江副教授
哈尔滨工程大学
2013年6月
基于CAN总线的蓄电池化成监控系统设计郭衍龙哈尔滨工程大学
学号2009043110
密级
基于CAN总线的蓄电池化成监控系统设计
TheDesignofMonitoringSystembatteryBasedonCANBus
学生姓名：
郭衍龙
所在学院：
自动化学院
所在专业：
电气工程及其自动化
指导教师：
游江
职称：
副教授
所在单位：
哈尔滨工程大学
论文提交日期：
2013年6月
论文答辩日期：
2013年6月
学位授予单位：
哈尔滨工程大学
摘要
ARM微处理器遍及工业控制、电子产品、网络通信等各个领域，ARM技术正逐步进入并改变着我们的生活。
在32位微处理器领域里，ARMCortex-M3处理器性能尤为突出。
基于ARMCortex-M3内核的STMF103系列微处理器具有功耗少、成本低、性能高的特点，而且有众多的开发编译平台支持，其中便有一款优秀的软件——KieluVision4。
CAN总线技术被广泛地应用在工业自动化、汽车、船舶等领域，是能有效的支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，可实现各设备间稳定并准确的数据传输，为数据通信提供了强有力的支持。
蓄电池作为一种稳定的化学电源，其在工业领域及人们的日常生活中发挥着不可替代的作用。
蓄电池的化成作为蓄电池制作过程中的关键一环，直接影响着蓄电池质量的好坏。
本课题正是基于CAN总线技术，采用STM32F103VET6作为系统主控制器，设计硬件电路，使用KieluVision4软件作为STM32微控制器的开发编译平台，并通过VisualBasic进行上位机软件的编写。
主要通过编译程序输出不同占空比的PWM波，以实现对蓄电池化成过程的充放电控制。
关键词：
ARM；STMF103；CAN总线；KieluVision；VisualBasic；PWM
Abstract
ARMMicroprocessorthroughoutindustrialcontrol,electronicproducts,networkcommunicationsandotherfields,ARMtechnologyisgraduallyenteringandchangingourlives.Inthefieldof32-bitmicroprocessor,ARMCortex-M3processorperformanceisparticularlyprominent.BasedonARMCortex-M3coreSTMF103seriesmicroprocessorwithlowpowerconsumption,lowcost,high-performancefeatures,andtherearenumerouscompilerdevelopmentplatformsupport,whichwillhaveanexcellentsoftware-KieluVision4.
CANbustechnologyhasbeenwidelyusedinindustrialautomation,automotive,shipbuildingandotherfields,isabletoeffectivelysupportthedistributedcontrolandreal-timecontroloftheserialcommunicationsnetwork,enablingthedevicestostabilizeandaccuratedatatransmissionfordatacommunicationstoprovidestrongsupport.
Batteryasastablechemicalpower,anditsindustrialsectorandpeople'sdailylifeandplayanirreplaceablerole.Batteryintothebatteryproductionprocessasakeyring,adirectimpactonthequalityofthebatteryisgoodorbad.
ThistopicisbasedonCANbustechnology,STM32F103VET6asthesystemmastercontroller,hardwarecircuitdesign,theuseofKieluVision4SoftwareasSTM32microcontrollercompilerdevelopmentplatform,andthroughVisualBasicforPCsoftwareiswritten.MainlythroughthecompileroutputwithPWMwave,inordertoachievetheprocessofcharginganddischargingofthebatteryintothecontrol.
Keywords:
ARM;STMF103;CANbus;KieluVision;VisualBasic;PWM
第1章绪论
1.1研究背景
蓄电池是1859年由普兰特（Plante）发明的，至今已有一百多年的历史。
蓄电池自发明后，经过上百年的发展，加之其低廉的价格、易于采集的原材料、充分的使用可靠性等原因，其在化学电源中一直占有很大的优势及广泛的应用群体。
随着社会生产力和科学技术的不断发展，尤其是工业化大发展的今天，蓄电池作为一种化学性能可靠的电源，越来广泛的应用到工业领域中[1]。
蓄电池可作为应急电源及后备电源，在当今的技术条件下，还没有哪一种电源能够取代其在工业及日常生活中的地位。
蓄电池制造流程一般包括：
铅粉制造、板栅铸造、极板制造、极板化成、装配电池。
在制造过程中，蓄电池极板的化成工艺是蓄电池生产制造过程中的重要一环。
一般一个蓄电池生产厂有几十台甚至上百台化成充电机在各自控制系统的监控下同时运行，存在大量的数据交换，如何监控化成过程稳定地运行尤为重要。
1.2研究现状和意义
对于蓄电池化成控制系统电路，传统上都是模拟控制电路，虽然目前技术发展的已经非常成熟，但其依然存在许多不足：
如需要大量分立元件、电路板，器件繁多，造成制造成本高；繁多的器件也使系统功耗大，不能大规模集成，并且易受到环境干扰造成系统不稳定；此外，由于是模拟控制电路，可用的控制芯片不能进行复杂的控制，要实现复杂的控制很难。
随着技术的发展和科技的进步，蓄电池化成监控系统也在不断地发展完善。
以目前的情况来看，采用16位、32位的ARM、DSP等微控制器作为主控制核心进行电路设计已成为主流趋势。
在数据通信方面，CAN总线技术的应用已经非常成熟，可采用CAN总线与监控计算机连接起来进行通信。
本课题采用STM32F103VE芯片作为主控制器，采用CAN总线进行与监控计算机的数据通信，使用KielμVision4软件编程实现对STM32F103VE主控制器的控制，使用VisualBasic软件编写上机控制软件实现对CAN总线的控制。
本课题具有一定的实用价值和工程参考意义。
1.3开发平台
STM32系列微控制器基于ARM内核，所以很多基于ARM嵌入式的开发环境都可以用于STM32开发平台，开发工具都可用于STM32开发。
其中主要的开发编译平台有Greenhills、GCC、IAR、Keil和Tasking等。
随着新一代Cortex-M3处理器的诞生，绝大多数的开发平台都快速惊醒更新来支持Thumb-2指令集。
Kiel是目前ARM内核单片机开发的主流工具。
Keil提供包括了C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些功能组合在一起。
KeilμVision4引入灵活的窗口管理系统，使开发人员能够使用多台监视器，并提供了视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何地方。
新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口，提供一个整洁，高效的环境来开发应用程序。
而对于上机软件的编写，开发工具更是数不胜数，诸如MicrosoftSQLServer、MicrosoftVisualC++、VisualBasic等，对于未有编程基础或者编程基础较差的初学者来说，VisualBasic相对于MicrosoftSQLServer与MicrosoftVisualC++来说，更容易上手，更利于初学者编写一简单的上机软件，考虑时间及自身能力等因素，本课题选择使用VisualBasic，但缺点是程序运行效率较低。
1.4课题内容及论文的结构
课题研究的蓄电池化成监控系统。
硬件部分，采用STM32F103ARM控制芯片作为CPU；基于TJA1040和ADUM1201芯片设计完成ARM与外挂CAN适配器的隔离接口电路；设计电源电路，为ARM、运放等器件提供驱动电源、基准电源等；设计存储器电路，存储数据；设计电流、电压信号采集模块，对蓄电池化成过程中电流、电压数据进行采集，并设计过流保护模块，防止过流烧坏电路；设计通讯模块，实现ARM主控器与外部设备之间的数据通讯；设计PWM输出模块；其他电路模块还包括温度检测、ARM脚去耦电容、ARM外部晶振等，这些模块相互联系，共同组成系统的完整性。
软件部分，设计使用VisualBasic软件，编写CAN上位机监控应用程序，对CAN适配器的启动、复位、数据收送等进行控制；通过KeilμVision4开发平台，编译ARM主控器控制程序，完成对ARM的控制，可根据实际要求输出不同占空比的PWM波，实现对蓄电池化成过程充放电电源的控制。
本文共分为四章，论文结构如下：
第一章为论文绪论部分，包括了课题研究背景、现状和研究意义，当下流行的开发平台，课题内容及论文的结构。
第二章为系统的总体设计简介，包括蓄电池化成相关知识的介绍，CAN总线技术的简要说明，硬件电路用到的一些主要器件也给出了它们的主要参数及工作原理等。
最后还给出了系统总体的设计方案，分为硬件设计方案和软件设计方案。
第三章为系统硬件电路部分，包含硬件实现框图、存储器、主控制器、电源电路、通讯电路、电流采集、电压采集、过流保护等模块的说明。
简要的解释了硬件电路主要模块的原理及功能。
第四章为系统软件设计部分，主要包括ARM主控制器控制程序与上位机软件的设计这两部分。
简单的解释了两部分中各自重要的程序段。
最后是本文的结论部分，给本文的工作做了总结。
第2章系统总体设计
2.1蓄电池化成相关知识介绍
蓄电池极板的化成工艺是蓄电池生产过程中的重要一环，所谓化成就是指对极板充放电的过程，即利用电化学化学和电化学反应反应使电能转换成化学能储存起来。
化成以前的极板其铅膏物质的主体部分相同，都是由氧化铅、金属铅、硫酸铅、三碱式硫酸铅、四碱式硫酸铅等物质相组成，原则上不存在正、负极板之分。
化成之前的极板不存在铅酸蓄电池电化学反应的所需的正极活性物质二氧化铅，负极活性物质海棉状铅。
虽然在极板结构、工艺添加剂方面形成了正、负极板之分，但此时却不具备铅酸蓄电池放电的正、负极板条件。
而通过化成这一过程，使得准备形成正极板的极板铅膏物质转化成为以二氧化铅为主体的物相结构而形成正极板，同时使得准备形成负极板的极板铅膏转化成以海绵状铅为主体的物相结构而形成负极板。
化成是蓄电池制造很关键的一道工序，其转化过程的好坏都将直接影响到蓄电池的性能。
2.2CAN总线技术
CAN（控制器局部网）是ControllerAreaNetwork的缩写，是ISO国际标准化的串行通信协议。
CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行网络通信网络。
CAN总线（现场总线）是一种全分散、全数字化、标准化、规格化、全透明的总线，不同传感器、不同设备、不同公司网络系统都可以与现场总线相连接。
采用CAN总线进行通信，可以有效的降低误码率，提高通信的准确性以及抗干扰能力。
由于CAN具有卓越的特性及极高的可靠性，因而非常适合工业过程监控设备互联。
2.3主要器件介绍
2.3.1CAN驱动器TJA1040
TJA1040是控制器局域网CAN协议控制器和物理总线之间的接口，它主要应用在客车的高速应用上；速度可达1Mbaud，为总线提供差动的发送功能，为CAN控制器提供差动的接收功能。
CAN高速收发器的一般应用如图2.1所示。
其中，协议控制器通过一条串行数据输出线TxD和一条串行数据输入线RxD连接到收发器。
而收发器则通过它的两个有差动接收和发送能力的总线终端CANH和CANL连接到总线线路。
它的引脚“S”用于模式控制参考输出电压Vref提供一个Vcc/2的额定输出电压，这个电压是作为带有模拟Rx输入的CAN控制器的参考电平。
由于SJA1000具有数字输入因此它不需要这个电压。
收发器使用5V的额定电源电压。
协议控制器向收发器的TxD引脚输出一个串行的数据流。
收发器的内部上拉功能将TxD引脚置为逻辑高电平，即总线输出驱动器在开路时是无源的。
在隐性状态中见图2.3，CANH和CANL输入通过典型内部阻抗为25k的接收器连接入网络偏置到Vcc/2的电平电压。
另外如果TxD是逻辑低电平，将激活总线的输出级，并在总线上产生一个显性信号电平见图2-3。
输出驱动CANH由Vcc提供一个源输出，而CANL则向GND提供一个下拉输出。
图2-2用TJA1040方框图作为一个例子。
如果没有总线节点发送一个显性位，则总线处于隐性状态。
如果一个或多个总线节点发送一个显性位，总线就会覆盖隐性状态而进入显性状态线与特性。
接收器比较器将差动的总线信号转换成逻辑电平信号，并在RxD输出。
总线协议控制器将接收到的串行数据流译码。
接收器比较器总是激活的，即当总线节点发送一个报文时，它同时监控总线。
这个功能可以用于支持CAN的非破坏性逐位仲裁策略。
图2.1CAN高速收发器的典型应用
图2.2TJA1050的方框图
图2.3根据ISO11898的额定总线电平
2.3.2ADUM1201
双通道数字式隔离器ADUM120x在一个器件中提供两个独立的隔离通道。
两侧工作电压为2.7V~5.5V，支持低电压工作并能实现电平转换。
另外，ADUM120x具有很低的脉宽失真（<3ns）。
与其他光电隔离的解决方案不同的是，ADUM120x还具有直流校正功能，有一个刷新电路保证即使不存在输入跳变的情况下输出状态也能与输入状态相匹配，这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入情况下是很重要的。
低功耗：
0.8mA，工作电压：
3V/5V，隔离电压：
2500V，工作温度：
125℃，传输速率：
1M/10M/25Mbps，传输延迟：
50ns，瞬态共模抑制能力：
25KV/us。
图2.4ADUM1201管脚分布图
表2.1ADUM1201管脚分配
引脚
名称
描述
1
VDD1
端供电电源（2.7V-5.5V）
2
VOA
逻辑输出A
3
VIB
逻辑输入B
4
GND1
端电源地
5
GND2
端电源地
6
VOB
逻辑输出B
7
VIA
逻辑输入A
8
VDD2
端供电电源（2.7V-5.5V）
表2.2ADUM1201真值表
VIA输入
VIB输入
VDD1状态
VDD2状态
VOA输出
VOB输出
高电平
高电平
有效
有效
高电平
高电平
低电平
低电平
有效
有效
低电平
低电平
高电平
低电平
有效
有效
高电平
低电平
低电平
高电平
有效
有效
低电平
高电平
—
—
无效
有效
不确定
高电平
—
—
有效
无效
高电平
不确定
2.3.3HCNR200
HCNR200高线性模拟光电耦合器内含一个高性能AlGaAsLED和两个高度匹配的光二极管。
输入光二极管可以用来监测并稳定LED的光度输出，因此LED的非线性和漂移特性几乎被消除，输出光二极管会产生线性对应LED光输出的光电流，光二极管间的紧密匹配和先进的封装设计可以确保光电耦合器的高线性度和稳定增益。
HCNR200可以用于隔离模拟信号,具有良好的稳定性、线性度、频带宽和低成本等特性。
能够在许多不同的模式下进行操作，包括:
单极/双极、AC/DC和反向/正向。
很好的解决了许多模拟隔离问题。
HCNR200有非线性度高，数值为0.01%；传递增益（IPD2/IPD1•K3）为±15%；增益温度系数为-65ppm/℃；带宽>1兆赫；封装形式分为8引脚DIP和贴片两种；HCNR200允许灵活的电路设计。
图2.5HCNR200引脚分布
2.3.4LM339
LM339是四电压比较器集成电路。
具有以下特性：
工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：
2～36V，双电源：
±1～±18V；消耗电流小，Icc=1.3mA；输入失调电压小，VIO=±2mV；共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门；
图2.6LM339内部结构图
表2.3LM339引脚功能表：
管脚
引脚功能
符号
管脚
引脚功能
符号
1
输出端2
OUT2
8
反向输入端3
1N-（3）
2
输出端1
OUT1
9
正向输入端3
1N+（3）
3
电源
VCC+
10
反向输入端4
1N-（4）
4
反向输入端1
1N-
（1）
11
正向输入端4
1N+（4）
5
正向输入端1
1N+
（1）
12
电源
Vcc-
6
反向输入端2
1N-
（2）
13
输出端4
OUT4
7
正向输入端2
OUT2
（2）
14
输出端3
OUT3
2.3.5OPA2277高精度运算放大器：
OPA2277系列精密放大器提供改进的噪音,更广泛的输出电压摆幅,快一倍半静止的电流。
性能包括超低的1nA低偏置电流和10µV超低的偏移电压，134dB高的开环增益，140dB高共模抑制，大功率电源的排斥反应。
单、双、和四版本拥有完全相同的规格设计最大的灵活性。
OPA2227整体增益稳定，具有高转换率（2.3V/μs）和宽带（8MHz）。
操作温度范围从-40°C至+85°C。
在换能放大器、桥放大器、温度测量、应变片放大器、电池的仪器、测量设备等产品中有广泛应用。
2.3.6TLP521
TLP521是可控制的光电耦合器件，在电路之间的信号传输中，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。
主要性能及参数有：
集电极-发射极电压最小为55Ｖ，经常转移的最小比例为50，隔离电压最小为2500Vrms，电源电压（VCC）0―24V，正向电流（IF）0―25mA，集电极电流（IC）0―10mA，操作温度-25―85℃。
本课题硬件电路所用到的为TLP521-1型号，如下图：
图2.7TLP521-1引脚及内部结构
（1脚：
正极2脚：
负极3脚：
发射极4脚：
集电极）
2.3.7STM32F103VET6微控制器
本控制系统以ARM控制器STM32F103VET6作为CPU，它是ST公司针对低价格敏感控制领域推出的高性能控制器，基于高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，时钟频率可达72MHz，1.25DMIPS/MHZ，片上资源丰富，集成了高速存储器，可多达8个定时器，16个12位ADC采样通道，具有USART接口、CAN总线接口、I2C接口、SPI接口和RTC实时时钟等。
工作于-40°C至+105°C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V。
下面主要介绍STM32F103微控制器以下几个部分：
1、内置SRAM（静态随机存取存储器）
多达64K字节的内置SRAM，CPU能以0等待周期访问（读/写）。
2、时钟和启动
系统时钟的选择是在启动时进行，复位时内部8MHz的RC振荡器被选为默认的CPU时钟，随后可以选择外部的、具失效监控的4-16MHz时钟；当外部时钟失效时，它将被隔离，同时产生相应的中断。
同样，在需要时可以采取对PLL时钟完全的中断管理（如当一个外接的振荡器失效时）。
具有多个预分频器用于配置AHB的频率、高速APB（APB2）和低速APB（APB1）区域。
AHB和高速APB的最高频率是72MHz，低速APB的最高频率为36MHz。
当HIS作为PLL时钟的输入时，最高的系统时钟频率只能达到64MHz。
当使用USB功能时，必须同时使用HSE和PLL，CPU的频率必须是48MHz或72MHz。
当需要ADC采样时间为1μs时，APB2必须设置在14MHz、28MHz或56MHz。
3、供电方案
VDD=2.0～3.6V：
VDD管脚为I/O管脚和内部调压器的供电。
VSSA，VDDA=2.0～3.6V：
为ADC、复位模块、RC振荡器和PLL的模拟部分提供供电。
使用ADC时，VDD不得小于2.4V。
VDDA和VSSA必须分别连接到VDD和VSS。
VBAT=1.8～3.6V：
当关闭VDD时，（通过内部电源切换器）为RTC、外部32kHz振荡器和后备寄存器供电。
图2.8供电方案
4、RTC（实时时钟）和后备寄存器
RTC和后备寄存器通过一个开关供电，在VDD有效时该开关选择VDD供电，否则由VBAT管脚供电。
后备寄存器（42个16位的寄存器）可以用于保存84个字节的用户应用数据。
该寄存器不会被系统或电源复位源复位；当从待机模式唤醒时，也不会被复位。
实时时钟具有一组连续运行的计数器，可以通过适当的软件提供日历时钟功能，还具有闹钟中断和阶段性中断功能。
RTC的驱动时钟可以是一个使用外部晶体的32.768kHz的振荡器、内部低功耗RC振荡器或高速的外部时钟经128分频。
内部低功耗RC振荡器的典型频率为40kHz。
为补偿天然晶体的偏差，可以通过输出一个512Hz的信号对RTC的时钟进行校准。
RTC具有一个32位的可编程计数器，使用比较寄存器可以进行长时间的测量。
有一个20位的预分频器用于时基时钟，默认情况下时钟为32.768kHz时它将产生一个1秒长的时间基准。
5、系统时基定时器
这个定时器是专用于操作系统，也可当成一个标准的递减计数器。
它具有下述特性：
24位的递减计数器；重加载功能；当计数器为0时能产生一个可屏蔽中断‘可编程时钟源。
6、通用定时器（TIMx）
STM32F103xC、STM32F103xD和STM32F103xE增强型系列产品中内置了多达4个可
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