1引言

化成充放電是蓄電池生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵過(guò)程之一，其控制水平直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。該工藝要求化成充電機能夠按時(shí)間、電壓或安時(shí)數等條件對蓄電池進(jìn)行多次的充放電，具有靜電、恒流充電、恒壓（限流）充電、恒流放電等多種充放電模式，并要求達到控制精度≤1%，檢測精度≤0.5%，限流限壓保護精度≤2%。常規生產(chǎn)方式下主要采用人工手動(dòng)操作，控制精度低、勞動(dòng)強度大、人為因素對產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大，因此引入微機程控裝置對于改善操作過(guò)程、提高產(chǎn)品質(zhì)量意義重大。[1]

隨著(zhù)新型單片機內置大容量的FlashROM、各種串行ADC、DAC以及高密度串行E2PROM等技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)高性能、低成本、緊湊型蓄電池充放電控制器成為可能。根據小容量多回路充電機設備的需要，本文提出了一套由嵌入式單片機及其外圍串行設備組成的多回路微控制器的設計方案，可以同時(shí)控制4臺化成充電機的運行，實(shí)現自動(dòng)靜電、恒流充放電、恒壓限流充電等控制功能；采用漢字LCD顯示，可通過(guò)鍵盤(pán)設定控制程序參數，具有多階段可自動(dòng)按時(shí)間和條件（電壓、電流或安時(shí)）控制的功能；斷電后可自動(dòng)記憶狀態(tài)，恢復運行后自動(dòng)繼續原過(guò)程；自動(dòng)監測斷流、過(guò)流、過(guò)壓等故障并告警；此外，通過(guò)RS485串行通信和上位機聯(lián)網(wǎng)可構成兩級集中監控分散型系統。[2-4]

2控制器的硬件設計

多回路化成充放電控制器的硬件主要由主控模塊和過(guò)程處理模塊兩大部分組成。按設計要求，主控模塊應具有下列功能：（1）良好的人機交互界面，包括鍵盤(pán)和顯示器；（2）存儲工藝控制參數；（3）掉電保存運行狀態(tài)及數據；（4）高可靠性和抗干擾性；（5）與上位機聯(lián)網(wǎng)構成兩級集中監控或打印記錄系統。過(guò)程處理模塊完成4路化成充電機的輸入/輸出信號的調理、隔離與轉換。包括系統給定控制量的輸出、電流及電壓采樣值的輸入，以及開(kāi)關(guān)量的輸出。根據上述功能要求，設計控制器的硬件結構如圖1所示。

主控模塊以低功耗、高性能的單片機AT89C55為主控CPU，其內部閃存容量達到20KB，內部RAM256字節，可滿(mǎn)足較復雜的控制程序、LCD顯示漢字庫及通信程序的需要，而無(wú)需擴展外部程序存儲器和數據存儲器。主控模塊的面板上提供了2×7的薄膜鍵盤(pán)和192×64的點(diǎn)陣式液晶顯示器，使現場(chǎng)操作畫(huà)面非常友好。

采用大容量的24LCXX系列的串行E2PROM來(lái)保存大量的設定工藝控制參數及掉電狀態(tài)數據。24LCXX與單片機的接口采用兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，簡(jiǎn)單可靠。單片機作為主設備，24LCXX作為從設備，主設備對從設備進(jìn)行讀、寫(xiě)數據操作。

過(guò)程設備接口均采用串行芯片，接口簡(jiǎn)單，與單片機間的信號線(xiàn)最多為四根，使得連線(xiàn)數目大大減少，且這些信號線(xiàn)均經(jīng)光耦隔離后接到單片機，提高了系統的可靠性。

另外，考慮到控制系統的特點(diǎn)，屬于多點(diǎn)通信方式，且距離較長(cháng)，數據要求雙向傳輸，因此采用連接方便、抗干擾性能好、失真小且成低本的RS－485標準接口，實(shí)現和上位機之間的數據通信。

該微控制器的硬件設計充分體現了嵌入式系統結構緊湊，外設簡(jiǎn)單，體積小，攜帶方便的特點(diǎn)，成本亦大大降低。

3數據的存儲管理

在控制４臺充電機工作的過(guò)程中，需要保存大量的非易失的數據，如工藝控制參數和運行控制數據。在串行E2PROM中保存了預置的8組型號的參數，每組包含12個(gè)階段的工藝控制參數�？刂瞥潆姍C運行的過(guò)程中，系統定時(shí)將各回路充電機的工作參數值保存到E2PROM中。當系統突然掉電后能自動(dòng)記憶狀態(tài)，恢復運行后自動(dòng)繼續原過(guò)程。

但考慮到掉電發(fā)生的隨機性，為保證數據的正確性與完整性，設置了特定標志，保證寫(xiě)入數據的完整性。即每次對24LCXX操作前，首先判斷此標志，若為FFH，表明基本數據區數據完整，將其內容寫(xiě)入后備數據區；若為00H，表明上一次對基本數據區的操作被打斷，數據不完整，則將后備數據區的內容寫(xiě)入基本數據去，恢復掉電前的數據狀態(tài)。在對數據操作完成之后，再將標志置為FFH，表明對數據的一次完整操作。采用這種給數據操作加鎖的方法，有效地確保了系統的穩定運行。

4控制器的軟件設計

4.1實(shí)時(shí)多任務(wù)結構及任務(wù)的劃分

控制器軟件采用實(shí)時(shí)多任務(wù)結構，分為啟動(dòng)管理任務(wù)和運行任務(wù)兩大部分。啟動(dòng)管理任務(wù)包括上電命令處理（輔助自檢、清除記憶數據等）、系統初始化和工藝控制參數等修改設置，同時(shí)串行通信中斷任務(wù)作為后臺任務(wù)，接收上位機命令并向上位機發(fā)送狀態(tài)信息；運行任務(wù)在執行啟動(dòng)充電機命令后激活，包括主控調度程序（前臺任務(wù)）、系統定時(shí)器中斷、串行通信中斷任務(wù)等，按不同優(yōu)先級調度運行（前臺任務(wù)被后臺任務(wù)打斷）。圖2為系統任務(wù)及調度示意圖。

后臺任務(wù)1由系統定時(shí)器T0每100ms產(chǎn)生一次中斷，形成基本時(shí)鐘源，為控制和通信任務(wù)提供各類(lèi)軟件計數器。主控調度程序根據定時(shí)器計數狀態(tài)調度各個(gè)任務(wù)，控制4路充電機的運行。這些任務(wù)包括：每隔1秒掃描一次鍵盤(pán)，根據鍵盤(pán)輸入的命令激活相應任務(wù)，如啟動(dòng)或終止過(guò)程、顯示設置參數等；每隔1秒進(jìn)行例行數據采集與處理，分別采集4路充電機的電壓、電流量，并對轉換的結果作相應的處理；每隔1秒循環(huán)顯示4路充電機的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)參數，包括當前工作階段、工作方式、運行時(shí)間、電壓電流值、安時(shí)數等；每隔2秒分別計算4路充電機的安時(shí)數；每隔3秒進(jìn)行閉環(huán)反饋控制PI調節；每隔1分鐘分別累計4路充電機的安時(shí)數，同時(shí)備份相關(guān)的數據到E2PROM中。運行過(guò)程中定時(shí)檢查電流、電壓信號，如遇異常、斷流、過(guò)流、過(guò)壓等故障則及時(shí)顯示故障類(lèi)型和對應的充電機號。

后臺任務(wù)2為串行通信中斷任務(wù)。由于采用主從式異步串行通信，通信中斷任務(wù)的優(yōu)先級比定時(shí)器中斷的優(yōu)先級高。通信中斷包括接收中斷和發(fā)送中斷兩種情況，并需根據需要進(jìn)行切換控制和處理。平時(shí)處于接收中斷允許狀態(tài)，當收到上位機輪詢(xún)報文時(shí)即組織發(fā)送報文，將報文幀送到發(fā)報緩沖區，啟動(dòng)發(fā)送中斷和發(fā)送計數器，在以后的發(fā)送中斷任務(wù)中按計數器發(fā)送一個(gè)字節直到發(fā)完該幀即禁止發(fā)送中斷。如收到上位機數據/命令報文頭則清理收報緩沖區，等待下次接收中斷字節。

4.2模塊化的軟件設計

本控制器的軟件設計采用模塊化結構，使程序明晰簡(jiǎn)潔。同時(shí)各模塊間相對獨立，可以單獨調試，程序擴充時(shí)，不要更改原有的結構，只需修改相應的模塊。根據圖2中系統任務(wù)的劃分，程序模塊主要由主控程序及定時(shí)器中斷程序模塊、通信程序模塊、顯示及鍵盤(pán)處理模塊、輸入輸出及控制量計算模塊構成。各模塊之間的聯(lián)系是采用單片機的邏輯處理功能，設置標志位，通過(guò)查詢(xún)標志位的操作進(jìn)行控制和調用。

由于篇幅的原因，就不詳細介紹各模塊工作的流程。

5通信系統的設計

本文的應用對象是蓄電池工廠(chǎng)的極板或密閉電池充放電控制裝置，為了降低成本，便于管理并提高系統可靠性，控制系統設計可以采用小型的分散型控制系統，即兩層結構：分散的多回路控制器配一個(gè)操作站（俗稱(chēng)上位機和下位機）。通過(guò)低成本、高可靠的RS-485實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò )，將數十臺多回路控制器與PC機相連，實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程的集中監控操作。上位機和下位機之間的通信包括數據下載、數據上裝、命令下發(fā)等。通信系統設計如下：

（1）系統物理層協(xié)議采用RS－485標準，為了在允許范圍內盡量提高通信速率，波特率選擇了非標準的3125bps。當上位機采用軟件輪詢(xún)方式與20個(gè)現場(chǎng)控制器逐個(gè)通信，通過(guò)適當的軟件設計，可基本滿(mǎn)足充放電過(guò)程操作的實(shí)時(shí)性要求。

（2）據鏈路層協(xié)議參考HDLC，采用短幀定長(cháng)傳送，每幀有效字節為7個(gè)。應用層要求實(shí)現即時(shí)數據上裝、歷史數據上裝、控制參數數據下載和命令下發(fā)等功能。

（3）本系統采用主站輪詢(xún)的主從方式，由主站發(fā)起通信，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )沖突；由主站選擇它要求通信的次站，各次站可以有不同的優(yōu)先級。相對于總線(xiàn)式控制網(wǎng)絡(luò )，這種方式易于理解和實(shí)現。

6結束語(yǔ)

實(shí)驗和現場(chǎng)實(shí)際運行表明，該多回路化成充放電控制器具有較好的人機對話(huà)窗口，結構簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，參數設置靈活，有較強的適應性。系統軟硬件設備工作正常，功能齊全，穩定可靠，具有完善的系統自診斷、故障定位功能。而且具有成本低、體積�。�80×160×100）的特點(diǎn)。