基于can总线的蓄电池化成监控系统设计本科毕业设计

基于can总线的蓄电池化成监控系统设计本科毕业设计内容摘要：

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 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。 CAN总线技术 CAN（控制器局部网） 是 Controller Area Network 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。 CAN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。 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 ， 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 23。 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 22 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 CAN高速收发器的典型应用 图 TJA1050 的方框图 图 根据 ISO 11898 的额定总线电平 ADUM1201 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 ~，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： ，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 ADUM1201管脚分布图 表 ADUM1201管脚分配 引脚 名称 描述 1 VDD1 端供电电源（ ） 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（ ） 表 ADUM1201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 HCNR200 HCNR200高线性模拟光电耦合器内含一个高性能 AlGaAs LED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 %；传递增益 (IPD2 / IPD1•K3)为 177。 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 HCNR200引脚分布 LM339 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： 177。 1～ 177。 18V；消耗电流小， Icc=；输入失调电压小， VIO=177。 2mV；共模输入电压范围宽， Vic=0～ Vcc；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 LM339内部结构图 表 LM339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 OPA2277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 10181。 V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（ ）和宽带（ 8MHz）。 操作温度范围从 40176。 C至 +85176。 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。 TLP521 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 2500 Vrms，电源电压（ VCC） 0―24 V ，正向电流（ IF） 0―25 mA，集电极电流（ IC） 0―10 mA ， 操作温度 25―85 ℃。 本课题硬件电路所用到的为 TLP5211型号，如下图： 图 TLP5211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） STM32F103VET6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 ARMCortexM3 32位的 RISC内核，时钟频率可达 72MHz， ，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 40176。 C至 +105176。 C的温度范围，供电电压。 下面主要介绍 STM32F103微控制器以下几个部分： 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 )。 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 416MHz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。 供电方案 • VDD = ～ ： VDD管脚为 I/O管脚和内部调压器的供电。 • VSSA， VDDA = ～ ：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。 VDDA和 VSSA必须分别连接到 VDD和 VSS。 • VBAT = ～ ：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 供电方案 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 、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 1秒长的时间基准。 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。 通用定时器 (TIMx) STM32F103xC、 STM32F103xD和 STM32F103xE增强型系列产品中内置了多达 4个可同步运行的标准定时器 (TIM TIM TIM4和 TIM5)。 每个定时器都有一个 16位的自动加载递加 /递减计数器、一个 16位的预分频器和 4个独立的通道，每个通道都可用于输入捕获、输。