基于C8051F040的特种车辆电源监控系统设计

0 引言
    汽车在行驶过程中，拥有一个稳定的电源系统，是汽车各个电子器件正常工作最基本的保障。当电源部分发生故障时，为了排除故障，我们需要实时地了解电源发生故障时候的状态。这就要求我们能够在电源发生故障的瞬间，能够捕捉电源实时的故障数据，并能在故障环境下稳定的保存下来。对系统电源参数进行实时采集和记录，能更好地了解系统电源的实际工作情况，从而可以在测试和定型试验中掌握更准确的实验数据，电源监控系统的目的就在于。对系统的电流电压进行实时测量和记录，在回收后，通过串口或USB与PC机连接，将采集到的数据及时传到PC机中进行分析处理，此种设备与飞机、轮船上的“黑匣子”有类似的地方。经特种车辆试验证明，该系统拥有抗过载冲击、抗干扰、数据断电不丢失，三防性能好等特点，外接实时时钟芯片，最小采样周期可达0．1 ms，可以有效的捕捉电压跳变瞬间，并可以实时记录下故障数据，满足了实际的要求。本文以电源监控系统与PC机连接采用串口为例进行介绍。

1 电源监控系统的硬件电路设计
    电源监控系统的电压采样精度要求为0．1％，电流采样精度为1％。其中电压两路，电流两路。为此采用混合型单片机C8051F040，采用12位的 ADC，最大采样速率为200 kHz,，其次电源监控系统对存取速度和掉电不丢失的要求，现有的FLASH很难满足要求。为此需选用铁电存储器(FRAM)，FRAM是Ramtron 公司近年推出的新款掉电不挥发存储器，他结合了高性能和低功耗操作，能在没有电源的情况下保存数据。FRAM克服了E2PROM和FLASH写入时间长、擦写次数低的缺点，相对于锂电池+SRAM的方案增加了数据的可靠性。FM20L08的存储容量为128 k×8 b，其主要特点如下：3．0 V～3．65 V单电源供电；并行接口；提供SOIC和DIP两种封装；功耗低，静态电流小于15，读写电流小于10 mA；掉电后数据能保存10年；读写无限次。

2 电源监控系统的工作原理和硬件连接
    系统复位成功后，开始数据采集，采集到的数据与系统所要求的电压进行比较，如果符合系统电压要求的范围，做抛弃处理；否则存储到FRAM存储器中。数据存储满后，停止采集，报警。系统原理如图1所示。

    对系统电压通过比例电阻加反向二极管进行采样，采样范围为9 V～36 V。电流的采样采用多极电流传感器LTS25-NP，采样范围为直流16 A～20 A。采样方式把多极电流传感器串联到电路中，由于多极电流传感器的电阻很小，为0．18 mΩ，不会产生压降，符合设计说明书的要求。
    单片机对串口的扩展已经有很成熟的范例，本文不再列出，下面只列出单片机控制FRAM的原理图。在本系统中采用的是地址信号复用模式，这样可以产生ALE 信号。FM20LO8自身带有锁存器，并且片选信号CE不能像SRAM一样直接接地，需要一个预充电时间，这个信号有HC04和HC32产生。而且地址信号需要在他的下降沿进行锁存，具体扩展如图2所示。

3 软件设计
3．1 电源监控系统的软件设计
    电源监控系统软件分为主程序、数据采集程序、串口通讯程序。工作过程为：电源监控系统首先上电，复位后，使单片机进人数据采集的子程序并进行循环，当FRAM写满后，停止采集，并且报警，进入主循环阶段。等待串口信号进行外部触发，从而进入数据传输子程序。如果此时不进行错误数据传输，下次复位之后，进入等待状态且不进行数据采集，直到收到数据采集指令，如果串口信号有外部触发，将错误数据通过串口送入PC机。程序流程如图3所示。

3．2 电源监控系统的上位机程序设计
    建立稳定可靠、方便快捷的数据通信是本系统最终实现其功能的必要条件。在 Windows XP下，利用VC++6．0的通信控件MSCOMM进行软件的设计，实现PC机与单片机的数据交换，只需要对端口进行简单的设置即可。在Windows环境下，串口是系统资源的一部分，应用程序通过提出资源申请要求(打开串口)，通信完成后必须释放资源(关闭串口)。

4 结论
    本记录仪具有自身特点，具有采集速度快、抗过载、三防性能好等优点，经车载模拟试验证明，能够满足试验的要求，可以有效的捕捉电压跳变瞬间，并可以实时记录下故障数据，解决了现有的试验问题，达到设计说明书要求。进行电压错误数据监控时的波形显示结果如图4所示。