基于C8051F040的特種車輛電源監控系統設計

0 引言
??? 汽車在行駛過程中，擁有一個穩定的電源系統，是汽車各個電子器件正常工作最基本的保障。當電源部分發生故障時，為了排除故障，我們需要實時地了解電源發生故障時候的狀態。這就要求我們能夠在電源發生故障的瞬間，能夠捕捉電源實時的故障數據，并能在故障環境下穩定的保存下來。對系統電源參數進行實時采集和記錄，能更好地了解系統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確的實驗數據，電源監控系統的目的就在于。對系統的電流電壓進行實時測量和記錄，在回收后，通過串口或USB與PC機連接，將采集到的數據及時傳到PC機中進行分析處理，此種設備與飛機、輪船上的“黑匣子”有類似的地方。經特種車輛試驗證明，該系統擁有抗過載沖擊、抗干擾、數據斷電不丟失，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據，滿足了實際的要求。本文以電源監控系統與PC機連接采用串口為例進行介紹。

1 電源監控系統的硬件電路設計
??? 電源監控系統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C8051F040，采用12位的 ADC，最大采樣速率為200 kHz,，其次電源監控系統對存取速度和掉電不丟失的要求，現有的FLASH很難滿足要求。為此需選用鐵電存儲器(FRAM)，FRAM是Ramtron 公司近年推出的新款掉電不揮發存儲器，他結合了高性能和低功耗操作，能在沒有電源的情況下保存數據。FRAM克服了E2PROM和FLASH寫入時間長、擦寫次數低的缺點，相對于鋰電池+SRAM的方案增加了數據的可靠性。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，靜態電流小于15，讀寫電流小于10 mA；掉電后數據能保存10年；讀寫無限次。

2 電源監控系統的工作原理和硬件連接
??? 系統復位成功后，開始數據采集，采集到的數據與系統所要求的電壓進行比較，如果符合系統電壓要求的范圍，做拋棄處理；否則存儲到FRAM存儲器中。數據存儲滿后，停止采集，報警。系統原理如圖1所示。

??? 對系統電壓通過比例電阻加反向二極管進行采樣，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，不會產生壓降，符合設計說明書的要求。

單片機對串口的擴展已經有很成熟的范例，本文不再列出，下面只列出單片機控制FRAM的原理圖。在本系統中采用的是地址信號復用模式，這樣可以產生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，需要一個預充電時間，這個信號有HC04和HC32產生。而且地址信號需要在他的下降沿進行鎖存，具體擴展如圖2所示。

3 軟件設計
3．1 電源監控系統的軟件設計
??? 電源監控系統軟件分為主程序、數據采集程序、串口通訊程序。工作過程為：電源監控系統首先上電，復位后，使單片機進人數據采集的子程序并進行循環，當FRAM寫滿后，停止采集，并且報警，進入主循環階段。等待串口信號進行外部觸發，從而進入數據傳輸子程序。如果此時不進行錯誤數據傳輸，下次復位之后，進入等待狀態且不進行數據采集，直到收到數據采集指令，如果串口信號有外部觸發，將錯誤數據通過串口送入PC機。程序流程如圖3所示。

3．2 電源監控系統的上位機程序設計
??? 建立穩定可靠、方便快捷的數據通信是本系統最終實現其功能的必要條件。在 Windows XP下，利用VC++6．0的通信控件MSCOMM進行軟件的設計，實現PC機與單片機的數據交換，只需要對端口進行簡單的設置即可。在Windows環境下，串口是系統資源的一部分，應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(關閉串口)。

4 結論
??? 本記錄儀具有自身特點，具有采集速度快、抗過載、三防性能好等優點，經車載模擬試驗證明，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據，解決了現有的試驗問題，達到設計說明書要求。進行電壓錯誤數據監控時的波形顯示結果如圖4所示。