基于嵌入式系统的铅酸蓄电池充电控制器设计

基于嵌入式系统的铅酸蓄电池充电控制器设计

绪论

铅酸蓄电池作为一种可重复使用的储能设备得到了广泛的应用，但是充电一直是影响其使用寿命的关键问题。因此，本文致力于研究并设计一种快速、安全、智能的蓄电池充电控制器。

本文根据充电系统的功能要求和技术指标，进行了总体方案设计。蓄电池充电控制器的控制方式采用基于时下最常用的嵌入式ARM7 微处理器LPC2292的数字控制。充电系统采用多模式充电控制策略，分别为激活充电、大电流快速充电、过充电和浮充电四种模式。根据充电系统的总体方案，对充电控制器的硬件和软件进行了详细的设计与实现。硬件部分主要充电控制器的驱动电路，采样电路，保护电路以及辅助电源的设计。软件部分主要包括介绍了μC/OS -II 实时操作系统在ARM7上的移植和各个软件模块包括A/D 采样、控制器数据的处理以及数据在LCD 显示等程序的实现。

关键字：嵌入式；铅蓄电池；充电控制器；LPC2292

ABSTRACT

As a reusable energy storage device to the lead-acid battery has been widely used, but the charge has been a key issue is the impact of its useful life. Therefore, this paper is committed to research and design a fast, safe, smart battery charge controller.

According to the charging system functional requirements and technical specifications, the design of the overall program. Battery charge controller control among the most commonly used embedded ARM7 microprocessor LPC2292-based digital control; charging system using multi-mode charging control strategy, were activated charging, high-current fast charge, over-charge and floating charge four mode. According to the general scheme of the charging system, a detailed design and implementation of the hardware and software of the charge controller. The hardware part of the main charge of the driving circuit of the controller, the sampling circuit, the protection circuit and an auxiliary power supply design. The software part includes ARM7 transplant of μC / OS-II real-time operating system and software modules, including the A / D sampling, the controller data processing and data in the LCD display program realization.

Keywords: embedded; lead-acid batteries; charge controller; LPC2292

1 绪论 (1)

1.1 研究背景及意义 (1)

1.2 蓄电池充电装置的研究现状 (1)

1.3 蓄电池充电方法的研究 (2)

1.3.1恒流充电方式 (2)

1.3.2恒压充电方式 (2)

1.3.3浮充方式 (2)

1.3.4涓流充电方式 (3)

1.3.5分阶段充电方式 (3)

1.4本文研究内容 (3)

2 蓄电池充电控制器的总体方案设计 (4)

2.1 充电控制器的功能和技术要求 (4)

2.2 蓄电池充电控制器的总体方案 (4)

2.3 充电主电路拓扑结构分析 (5)

2.4 系统控制方式的分析与选择 (6)

2.5 蓄电池充电方法的选择 (7)

3 嵌入式ARM 及LPC2292 微处理器介绍 (9)

3.1 嵌入式系统概述 (9)

3.1.1 嵌入式系统的定义 (9)

3.1.2 嵌入式系统的特点 (9)

3.2 嵌入式系统的现状和发展趋势 (10)

3.2.1 嵌入式系统的发展现状 (10)

3.2.2 嵌入式系统发展的未来趋势 (10)

3.3 常用微处理器 (11)

3.4 ARM MCU 介绍 (11)

3.5 ARM7 介绍 (12)

3.5.1 ARM7 系列 (12)

3.5.2 ARM7TDMI 介绍 (12)

3.6 LPC2292 微处理器简介 (13)

4 基于嵌入式的充电控制器的硬件设计 (16)

4.1 接口电路设计 (17)

4.1.1时钟电路及复位电路 (17)

4.1.2 JTAG 调试接口电路 (18)

4.1.3 LCD 串行接口设计 (18)

4.1.4 RS232 接口设计 (19)

4.2驱动电路的设计 (20)

4.3 采样电路设计 (21)

4.3.1输入电压采样电路 (21)

4.3.2蓄电池端电压采样电路 (22)

4.3.3蓄电池充电电流采样电路 (22)

4.3.4蓄电池温度采样电路 (23)

4.4保护电路设计 (24)

4.5电源电路设计 (24)

5 嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ (26)

5.1嵌入式操作系统 (26)

5.1.1 操作系统概述 (26)

5.1.2 μC/OS-Ⅱ的特点 (26)

5.2 μC/OS-Ⅱ的移植 (28)

5.2.1 μC/OS -II 的文件体系 (28)

5.2.2 μC/OS-Ⅱ的移植内容 (29)

5.2.3μC/OS-Ⅱ在系统中的应用 (29)

5.2.4μC/OS-Ⅱ的消息邮箱 (30)

6 系统软件设计与实现 (31)

6.1 系统软件的总体结构 (31)

6.2 应用μC/OS -II 的必要准备 (31)

6.2.1 定义任务优先级 (31)

6.2.2 定义任务栈空间 (31)

6.2.3 定义消息邮箱 (32)

6.2.4 μC/OS -II 的基本函数 (32)

6.3 主控模块及其流程图 (33)

6.4 主任务模块及其流程图 (34)

6.4.1 A/D 采样模块软件设计 (34)

6.4.2 数字滤波模块软件设计 (34)

6.4.3 充电模式的设计 (35)

6.4.4 LCD 显示任务模块及其流程图 (35)

7 结论 (37)

参考文献 (38)

致谢 (39)

1 绪论

1.1 研究背景及意义

自从1859 年法国科学家普朗特以铅为电极制成铅酸蓄电池以来，铅酸蓄电池经过一百多年的发展与完善，已经成为世界上广泛使用的一种化学电池，铅酸蓄电池由于其成本低、容量大、安全可靠等特点，在通讯、铁路、军事、电动汽车、光伏发电等各个领域都有广泛的应用，逐渐发展成为社会生产和人类生活中不可缺少的设备。

蓄电池在实际应用中遇到的最大问题是其使用寿命远远达不到设计寿命。设计寿命在10~15 年的蓄电池，在实际使用时大都在3~5 年便损坏，有些甚至不到一年便失效了，这不但影响了电气设备的可靠性，而且还造成了重大的经济损失。蓄电池的使用寿命由多方面的因素决定，包括蓄电池本身的物理性能、使用环境、监控管理方式和充放电制度等。通过对过早失效的蓄电池进行统计及分析发现，大部分都是由于充放电控制不合理而造成的。因此，要提高蓄电池的寿命，最重要的是使用合理的充电方法对蓄电池进行充电。

如何高效、快速、安全地对蓄电池进行充电控制，一直是人们关心的问题。虽然蓄电池问世至今已有100 多年的历史，但是由于技术条件的限制，目前很多的充电器仍然采用传统的充电方式，在使用这些传统充电方法的充电过程中，铅酸蓄电池大多存在着的过量充电和析气等现象。在一定程度上缩短了蓄电池的使用寿命，给使用者造成了一定的经济损失。

随着铅酸蓄电池在新能源开发中的广泛应用，对蓄电池的充电方法和充电装置都提出了新的要求：研究并设计一种快速、高效、安全的蓄电池充电系统成为一项很重要的任务。对蓄电池充电的改进可以从两个方面考虑，一是蓄电池的充电方法，二是蓄电池的充电装置。随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术以及自动控制技术的发展，蓄电池的充电控制方法和充电装置的研究也越来越广泛，这两个方面的研究设计对光伏发电、电动汽车等新兴绿色环保产业的发展具有非常重要的意义。

1.2 蓄电池充电装置的研究现状

蓄电池充电本质上是一个能量转换的过程，蓄电池充电装置实际上是一个充电电源，该充电电源通过一定的控制算法使得输出电压和输出电流与蓄电池充电曲线相吻合。目前，常用的充电电源主要有以下三种：相控电源、线性电源和开关电源。

(1) 相控电源是比较传统的电源，它将市电直接经过整流滤波后输出直流，通过改变可控硅整流器的导通相位角，来控制电源的输出电压。相控电源所使用的变压器是工频电源变压器，它的体积庞大，由此造成相控电源本身体积庞大、效率低下。而且该类电源动态响应差、可靠性低。目前相控电源已经有逐步被淘

汰的趋势。

(2) 线性电源是另一种常见的电源，它是通过串联调整管，可以连续控制的电源。线性电源的功率调整管工作在放大区，通过的电流是连续的。由于调整管上的损耗功率较大，所以需要采用大功率调整管并需要装配体积很大的散热器。

(3) 开关电源的研究发展历史比较短，在20 世纪60 年代中期开始了相关的研究，并于当时研制出了20kHz 的DC/DC 变换器，这为开关电源的发展奠定了基础。七十年代，出现了使用高频变换技术的整流器，它使交流电不经过50Hz 的工频变换器，而是直接整流再逆变为高频交流，再整流滤波变为所需的直流。

随着电力电子技术和自动控制技术发展，尤其是大功率高压场效应管等新型高频开关器件的出现，使得功率变换器的开关频率得到很大的提高，减小了功率变换器中的变压器体积和重量，从而大大减小了开关电源的体积和重量。

开关电源由最初的低频开关电源发展到高频开关电源(20kHz 以上)，其开关频率越来越高，控制技术也越来越完善，在蓄电池充电装置的设计中，正是由于开关电源的性能越来越完善，已逐步成为充电功率主电路设计的首选。

目前，国内外研究者对于铅酸蓄电池的研究重点大部分在蓄电池的充电方法上，而对于蓄电池充电装置研究的相对较少。蓄电池充电系统的功率主电路仍然采用一些基本的开关电源拓扑结构上，一些充电系统的功率和输入电压等要求比较低，因而选用的开关电源拓扑相对简单。目前用于蓄电池充电的功率主电路主要有Buck 变换器、Boost 变换器等。这几种结构都是由功率开关管、二极管、电感和电容组成的DC/DC 变换电路。

1.3 蓄电池充电方法的研究

1.3.1恒流充电方式

充电器的交流电源通常会波动，充电时需要一个恒流直流模块，即恒流充电器。当采用恒流充电时，可以使得电池具有较高的充电效率，可以根据电池的充电时间来决定充电是否终止，也可以改变电池的数目。

1.3.2恒压充电方式

当对电池进行恒压充电时，电池两端的充电电压决定了充电电流。这种充电方式的特点是：在充电的初期电流会很大，在充电的末期电流会很小，充电的电流随着电压的波动而变化，因此在控制策略中设定充电电流的最大值应设置在充电电压最高时，以免发生过充电，损害电池的寿命。

1.3.3浮充方式

在浮充方式中，电池以很小的电流（C/30~C/20）进行充电，以使得电池保持在满充状态，浮充方式多用于备用电源或者应急电源充电，以保证电池的电量稳定。

1.3.4涓流充电方式

在正常情况下，直流电源作为负载的工作电源，并以涓流充电的方式为电池充电，只有当负载变的很大时，直流电源端电压低于电池端电压或直流电源停止供电后，电池才对负载进行放电。这种情况下的充电电流根据不同的充电模式进行确定。它通常用在备用电源、紧急电源等不允许断电的情况下使用。

1.3.5分阶段充电方式

在分阶段充电方式中，在电池的初始阶段充电电流较大，当电池电压达到控制点时，电池即转为以涓流充电方式充电，分阶段充电是电池的最理想的充电方式，缺点是电路复杂。

1.4本文研究内容

电力电子技术、现代控制理论的快速发展，为蓄电池充电系统的发展提供了坚实的理论基础，同时集成电路技术和嵌入式系统的飞速发展，尤其是以ARM 为代表的混合信号处理器为蓄电池充电控制技术的发展提供了广阔的前景。

本文的主要目的是研究并设计一种基于嵌入式系统的蓄电池充电控制器，主要包括蓄电池的充电装置、控制方式、充电方法以及系统软硬件的设计与实现。根据设计要求，制作了一套蓄电池充电系统，该系统以双管反激变换器作为功率主电路。通过蓄电池的工作原理和常用充电方法的分析，确定充电系统采用多模式充电控制策略。充电控制器以基于ARM7的LPC2292芯片为核心，实现数字化控制，既实现了蓄电池的充电控制，又能够将充电信息在LCD 中显示，方便了系统的运行监控。

2 蓄电池充电控制器的总体方案设计

2.1 充电控制器的功能和技术要求

本文的主要目的是研究并设计一套蓄电池充电控制器，控制器的总体功能和技术要求如下：

(1) 充电系统的输入直流电压范围为200~650V；

(2) 充电系统的直流输出电压范围为0~60V，待充蓄电池组额定电压为48V；

(3) 充电系统的输出直流电流范围为0~20A；

(4) 充电系统的最大输出功率为1200W；

(5) 充电系统应根据蓄电池的荷电状态采用合适的充电方法对蓄电池进行充电；

(6) 充电系统应具有完善的充电保护功能；

(7) 充电系统应具有实时显示和监控的功能。

2.2 蓄电池充电控制器的总体方案

根据充电控制器的功能和技术要求，对蓄电池充电控制器的总体方案进行设计，系统总体结构如图 2.1 所示，显示了充电控制器的主电路及外围电路结构。

图2.1 蓄电池充电系统总体结构框图

在图 2.1 中，充电系统功率主电路由DC/DC 变换器构成，充电系统在充电过程中需要对蓄电池的输入电压、充电电压、充电电流以及温度等参数进行实时的采样，由充电控制器实现主电路功率开关管的开关控制以及蓄电池的充电控制，同时充电控制器还具有LCD 显示和RS232 通信等功能，能够实现对蓄电池充电的显示和监控。本充电系统具有完善的硬件保护措施，能对输入过压、输出过压、输出过流等实现硬件保护功能。充电系统中，由充电控制器产生占空比变化的脉冲宽度调制信号(PWM)控制主电路开关管的开通与关断，实现蓄电池的充电控制。蓄电池充电系统各个部分的功能为：

(1) DC/DC 主电路是实现充电系统能量转换的功率电路，由于输入电源为200V~650V 的直流电压，而待充蓄电池组的额定电压为48V，因此需要DC/DC 变换器进行功率变换。

(2) 充电控制器是整个充电系统的控制核心，既要实现对主电路功率开关管

的控制，又要实现对蓄电池的充电控制。

(3) 驱动电路，对充电控制器输出的PWM 信号进行隔离放大，产生满足功率开关管正常工作要求的驱动信号。

(4) 采样电路，对输入电压、充电电压、充电电流以及温度等参数进行采样调理。

(5) 保护电路，以硬件的方式对蓄电池的输入电压、充电电压和充电电流进行保护，防止蓄电池的过流和过压，有效保护充电系统的运行。

(6) 显示电路，在充电过程中，对蓄电池的输入电压、充电电流、充电电压以及温度等参信息进行显示。

2.3 充电主电路拓扑结构分析

蓄电池充电的功率主电路大多采用DC/DC变换器，目前，常用的DC/DC 变换器有很多种，大致可以分为两类：

(1) 非电气隔离型DC/DC 变换器，包括Buck 变换器、Boost 变换器、Buck-Boost 变换器、Cuk 变换器，这类变换器适用于升降范围窄、输入输出间无须电气隔离的场合；

(2) 电气隔离型DC/DC 变换器，包括反激、正激、推挽、半桥及全桥变换器，这类变换器适用于升降范围宽、输入输出间需要电气隔离的场合。

本蓄电池充电系统的输入直流电压范围为200V~650V，输入电压高而且范围宽，待充蓄电池的额定电压为48V，充电系统的最大输出功率为1200W，对于高压输入、大功率输出的应用场合，非电气隔离型变换器由于无法实现输入与输出之间的电气隔离，存在着应用的局限性，因此需要采用电气隔离型的DC/DC 变换器。

本文采用了双管反激变换器的拓扑结构，双管反激变换器使用两个功率开关管，同时导通和关断，并在电路中采用箝位二极管，在反激过程中把功率开关管承受的峰值电压箝位在输入电源电压，大大降低了每个开关管上的电压应力，扩大了在高输入电压应用场合功率开关管的选择范围，也保留了反激电路结构简单等优点。

双管反激变换器电路拓扑如图 2.2 所示。变压器用磁化电感m L、漏感r L和只有变比关系的理想变压器T 表示。

图 2.2 双管反激变换器电路拓扑

由图2.2分析可得双管反激变换器具有下列优点：

(1) 由于两个功率开关管同时开通、关断，每个功率开关管只承受一半的关断电压，适合输入电压较高的场合；

(2) 续流二极管D1、D2将变压器漏感能量回馈到输入侧，有效地抑制了漏感引起的关断电压尖峰，并使得功率开关管承受的电压应力仅为输入电压in

U。2.4 系统控制方式的分析与选择

本充电系统的功率主电路采用双管反激变换器的拓扑结构，双管反激变换器功率开关管的控制采用PWM 控制，以主电路的输出电压为例，PWM 控制的基本工作原理就是在输入电压、或者外接负载变化时，控制电路通过被控信号(输出电压)与基准电压信号的差值进行闭环反馈，调节主电路功率开关管的导通时间(脉冲的周期保持不变)，即功率开关管的导通脉冲宽度，来达到稳定输出电压的目的。PWM 控制信号的产生通常由两种方式：

(1) 模拟控制方式，传统的DC/DC 变换器大多采用模拟控制技术，图2.3 所示为模拟方式控制的DC/DC 变换器结构图，该电路中，DC/DC 变换器的控制单元由模拟PWM 控制器实现，模拟PWM 控制器由比较器、误差放大器和模拟调节器等模拟元件组成，DC/DC 变换器的直流输出电压经过分压得到的分压值与基准电压进行比较，并且将反馈电压经过模拟调节器的反馈调节后送入比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端为预设的周期锯齿波信号，将两者进行比较产生控制功率开关管开通与关断的PWM 控制信号，由占空比变化的PWM 信号调整DC/DC 变换器的输出电压，使变换器的输出电压稳定。

在充电系统中，模拟控制的方法也有应用，但是模拟控制方式的充电控制器充电方法单一，功能简单，而且存在控制电路复杂、元器件多以及控制电路一旦成型很难修改等缺点，不利于系统的集成化和小型化。

图2.3 模拟控制方式的DC/DC 变换器

(2) 数字控制方式

图2.4 所示为数字控制的DC/DC变换器的结构图。控制功率开关管开通与关断的PWM控制信号由数字PWM控制器产生，如单片机，DSP，ARM以及FPGA等。数字控制型变换器与模拟控制型变换器相同的部分为功率主电路和滤波单元，不同的部分为控制单元，数字PWM控制器由模数转换器、数字调节器和数字脉冲宽度调制器等部分组成。在数字控制器中，由模数转换器将电压模拟量转换为数字量，经过数字调节器模块对误差电压进行反馈调节后产生数字PWM信号。数字控制的DC/DC变换器中，所有的系统控制算法都在数字PWM 控制器中执行，它将被控的模拟信号转换成数字信号，并在数字域利用这些数据计算控制响应，然后产生控制功率开关管导通时间的PWM信号。

图2.4 数字控制方式的DC/DC 变换器

随着现代控制理论和数字信号处理技术的不断发展，电力电子电路的控制技术正朝着数字化的方向快速发展。由于数字控制可以采用灵活的控制策略，一些先进的控制方法用于电力电子电路成为了可能。随着数字处理器的性价比不断提升，应用数字控制的开关电源日益增多，与模拟控制相比，采用数字化控制技术有着许多不可比拟的优点：

(1) 数字控制可以实现各种复杂的控制策略，提高控制系统的性能，各种在模拟电路中难以实现的现代控制方法也开始应用于变换器的控制中，大大丰富了开关电源的控制方案。开关电源的模拟控制技术发展了很多年，虽然各方面都比较成熟，但却无法克服其固有的缺点：控制电路复杂，元器件比较多，不利于小型化的发展；控制电路一旦成型，很难修改，调试不方便；控制不灵活，复杂的控制方法用模拟的方法很难实现。采用数字控制技术，使得许多高级、复杂的算法可以通过数字控制器来实现。

(2) 与传统的模拟控制器相比，数字控制器具有更高的可靠性和抗干扰能力。模拟元器件易受环境和温度的变化影响，所以模拟控制器稳定性差。数字控制器较少受到器件老化、环境或参数变化的影响，比模拟控制器更稳定可靠，具有很强的抗干扰能力。

(3) 数字控制可以提供友好的通信界面、故障诊断能力、及抗干扰能力。数字控制系统通过LCD 显示和RS232 通信实现人机交互等功能，系统一旦出现故障，可以方便地通过RS232接口进行调试、故障查询，方便了系统运行的监测，使系统更加智能化。

(4) 数字控制系统灵活性高，数字化极大地简化了变换器控制的硬件结构。传统的模拟控制器是通过调节和改变具体元件的参数值来实现不同的控制规律。这样不可避免地会造成许多资源上的浪费，而且设计周期比较长。而数字控制器只需通过软件编程就可以修改控制规律，还可以及时通过仿真验证，使得对设计工作变得相当灵活。当变换器的性能要求改变时，为了修改控制规律，对于模拟控制器来说，需要重新设计电路并制板；而对于数字控制器，则可通过编程来增加、删除和修改任何控制参数，从而极大地缩短了设计周期。

总之，对DC/DC 变换器采用数字控制方法大大提高了变换器的控制性能、灵活性等，变换器的性能主要由软件来决定，而不是在于大量模拟元器件的参数，这就意味着成本和空间的节省以及实现复杂算法的能力。数字控制的这些优点大大提高了功率变换器的综合性能，由模拟控制向数字控制的转变是DC/DC 变换器的一大发展趋势。

2.5 蓄电池充电方法的选择

影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，在蓄电池充电系统中，铅酸蓄电池的充电

方法直接响到充电系统的性能和蓄电池的使用寿命，采用合理的充电方法尤为重要。

随着对蓄电池的研究深入，蓄电池充电技术在不断发展。目前，大多数厂商的充电设备采用的是恒压限流的充电方式，这种方式控制简单，没有根据蓄电池的实际状态进行电流和电压的调节，造成充电时间过长甚至损坏蓄电池。在实际使用过程中，闲置的蓄电池常常会过度放电，如果一开始就采用较大的电流充电，容易造成热失控，不利于激活电池内部的活性物质。因此，通过对充电理论和传统充电方法的分析，本蓄电池充电系统采用多模式充电控制策略，它综合了常规充电方法和快速充电方法的优点，使蓄电池保持较高的容量和较长的使用寿命。图2.5 所示为多模式充电阶段图。

图2.5 多模式充电阶段图

在本充电系统中，蓄电池的充电过程主要分为激活充电、大电流快速充电、过充电和浮充电四个阶段。这四个充电阶段是完全按照蓄电池的状态进行设置的，多模式充电控制策略考虑到蓄电池在实际使用过程中的荷电状态，根据蓄电池的荷电状态进行相应的充电控制，通过对蓄电池端电压的检测，确定采用何种充电模式，有效地维护了蓄电池的充电寿命。

这种多模式的充电方法综合了恒流充电快速而安全、及时补偿蓄电池电量和恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态保持蓄电池100%电量的优点。这种充电控制策略能够实时检测充电情况并按预定的充电方案对蓄电池充电；通过对蓄电池荷电状态的分析与判断，选择合适的充电模式，激活充电能够有效地激活过放电蓄电池内部的活性物质，避免初始大电流快速充电对蓄电池造成损坏；大电流快速充电能够最大效率地补足蓄电池的电量；过充电能够能够使得蓄电池的电量接近100%充满，最后的浮充电又能够补充蓄电池自身放电而损失的电量，进一步补充蓄电池的电量并延长蓄电池的使用寿命。

3 嵌入式ARM 及LPC2292 微处理器介绍

3.1 嵌入式系统概述

3.1.1 嵌入式系统的定义

随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3C(Computer、Communication、Consume Electronics)一体的后PC 时代已悄然而至。在后PC 时代，嵌入式系统扮演了越来越重要的角色，被广泛应用于信息电器、移动计算机设备、网络设备、消费电子设备和工业自动化仪表等领域。同时嵌入式系统的开发也成为近年IT 行业的技术热点。

对于什么是嵌入式系统，到现在为止还没有一个完全严格的定义。广义上说，凡是带有微处理器的专用硬件系统都可以称为嵌入式系统，而作为系统核心的微处理器又包括三类：MCU、DSP、MPU。所以有人简单说，“嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件之中”。不过目前国内一个普遍认可的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁减、适用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功能严格要求的专用计算机系统。

3.1.2 嵌入式系统的特点

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向应用的。

(1) 嵌入式微处理器与通用CPU 最大不同之处在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦合也越来越紧密；

(2) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力；

(3) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期；

(4) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储于器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中；

(5) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

3.2 嵌入式系统的现状和发展趋势

3.2.1 嵌入式系统的发展现状

随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术全面展开，目前已经成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的DVB(数字电视广播)技术已在全球大多数国家推广，数字音频广播(DAB)也已进入商品化试播阶段。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是作为个人移动的数据处理和通信软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，GUI(图形用户界面)屏幕为中心的多媒体界面给人以很大的亲和力。手写输入、语音拨号上网、收发电子邮件彩色图形、图像已取得初步成效。硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。目前底层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。从软件方面说，也有相当多的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式操作系统，已进入我国市场的有很多。我国自主开发的也有一些。

3.2.2 嵌入式系统发展的未来趋势

信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出另外新的挑战。从中可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：

(1)嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持

随着因特网技术的成熟、带宽的提高，ICP 和ASP 在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32 位、64 位RISC 芯片或信号处理器DSP 增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。

(2)联网成为必然趋势

为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21 世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口,需要TCP/IP 相应协议簇软件支持；由于家用电器相互关联(如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN 或IrDA 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。

(3)支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本

为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java 编程模式，优化编译器性能。因此，既要求软件人员具有丰富经验，更需要不断学习先进的嵌入式软件技术。

(4)提供精巧的多媒体人机界面

嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力，自然和谐的人机交互界面，不仅可以使人们的操作变得更为简单，而且还能体现出产品的人性化设计风格。

3.3 常用微处理器

嵌入式微处理器有许多流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处理器核生产出不同型号的芯片。

（1）ARM 微处理器

作为全球领先的16/32 位嵌入式RISC 微处理器解决方案供应商，ARM 公司的微处理器核技术广泛应用于便携式通信产品、手持运算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案等领域，已成为RISC 标准。ARM 处理器的三大特点是：小体积、低功耗、低成本、高性能；16/32 位双指令集；具有全球众多的合作伙伴。ARM处理器当前有5 个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10 和Secure Core。其中ARM7 是低功耗32 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的消费类应用。ARM7 系列又可分为ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T 和ARM7EJ。

(2)MIPS 微处理器

MIPS ，无内部互锁流水级微处理器(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)，是一种处理器内核标准，它是由MIPS 技术公司开发的。MIPS 技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32 位和64 位处理器的厂商，在RISC 处理器方面占有重要地位。MIPS 公司设计RISC 处理器始于80 年代初，先后推了R2000、R3000、R4000，R8000 到R12000。1999 年，MIPS 公司发布了MIPS32 和MIPS64 架构标准，新的架构集成了原来所有的MIPS 指令集，功能也更加强大。其中MIPS 处理器的代表是高性能、低功耗的32 位处理器内核。MIPS324Kc 和高性能64 位处理器内核MIPS645Kc。MIPS 技术公司不但开发MIPS处理器结构，而且还生产基于MIPS 的32/64 位芯片产品。

(3)68K/Coldfire

Motorola 68000(68K)是出现得最早的一款嵌入式处理器，68K 采用的是CISC结构与现在的PC 指令集保持了二进制兼容。后来，Motorola 推出了基于RISC 结构的68K/Coldfire 系统微处理器，目前基于该架构的嵌入式处理器主要有MCF5272，它基于第二代ColdfireV2 核心，在66MHz 操作速度为63Dhrystone 2.1MIPS，是迄今最高的V2 性能，它是68K系列产品的重要补充。

3.4 ARM MCU 介绍

ARM 即Advanced RISC Machines 的缩写。ARM 公司是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、低成本、低功耗的RISC 处理器、相关技术及软件，在成立仅10 多年的时间里，其32 位RISC 处理器就占到市场份额的75%，成为嵌入式微处理器中的老大。ARM 公司是设计公司，是知识产权(IP)供应商，本身不生产芯片，而是通过转让高性能、低成本、低功耗的RISC 微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，让他们使用这些技术

来生产各具特色的芯片。ARM 公司将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM 相关技术及服务。这种伙伴关系很快使ARM 成为许多全球性RISC标准的缔造者。目前，总共有30 多家半导体公司与ARM 签订了硬件技术使用许可协议，其中包Intel、IBM、LG 半导体、NEC、SONY、Philips 和美国国家半导体这样的大公司。至于软件系统的合作伙伴，则包括微软和MRI 等许多知名公司。

3.5 ARM7 介绍

3.5.1 ARM7 系列

ARM7 采用ARMv4T(Newman)结构，分为三级流水，空间统一的指令和数据Cache，平均功耗为0.6mW/MHz，时钟速度是66MHz，每条指令平均执行1.9 个时钟周期。其中的ARM710，ARM720 和ARM740 为内带Cache 的ARM 核。ARM7TDM(Thumb)，这是公司授权用户最多的一项产品，ARM7 指令集同Thumb扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式ICE 调试技术来简化系统设计，并用一个DSP 增强扩展来改善性能。ARM7 小型、快速、低能耗、集成式RISC 内核，用于移动通信。该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。

3.5.2 ARM7TDMI 介绍

ARM7TDMI 是ARM7 处理器系列成员之一，是目前应用最广的32 位高性能嵌入式RISC 处理器。ARM7TDMI 命名定义如下：

·ARM7 CPU 核系列

·T 16 位压缩指令集Thumb

·D 在片调试(debug)支持，允许处理器响应调试请求暂停

·M 增强型乘法器(multiplier)，与以前处理器相比性能更高，产生全64 位结果

·I 嵌入式ICE 硬件提供片上断点和调试支持

（1）指令流水线

ARM7TDMI 使用流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许几个操作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。ARM7TDMI 使用 3 级流水线，因此，基于ARM7 嵌入式工业智能化多参数综合测控平台的研究指令的执行分为3个阶段：取指、译码和执行。当正常操作时，在执行一条指令期间，其后续的一个指令进行译码，且第 3 条指令从存储器中取指令。(2) 存储器访问

ARM7TDMI 核是冯·诺依曼体系结构，使用统一32 位数据总线指令和数据。只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。数据位数可以是8 位、16位和32 位。16 位也称半字，它必须是2 字节边界对准，而32 位是字，它必须是4 字节边界对准。

（3）存储器接口

ARM7TDMI 的存储器接口被设计成在使用存储器最少的情况下实现其潜

能。速度的关键控制信号是流水作业的，以允许在标准功耗逻辑下实现系统功能。一些控制信号方便了许多片内和片外存储器技术支持快速突发(Burst)访问模式的开发。ARM7TDMI 有 4 种存储器周期的基本类型：空闲周期、非顺序周期、顺序周期和协处理器寄存器传送周期。

(4)嵌入式ICE-RT 逻辑

嵌入式ICE-RT逻辑为ARM7TDMI核提供了集成的在片调试支持。可以使用嵌入式ICE-RT逻辑来编写断点或观察断点出现的条件。嵌入式ICE-RT逻辑包含调试通信通道(DCC, Debug Communication Channel)，它用于在目标和宿主调试器之间传送信息。嵌入式ICE-RT逻辑通过JTAG(Joint Test Action Group)测试访问口进行控制。ARM7TDMI有 2 个指令集，32 位ARM指令集和16 位Thumb指令集。

3.6 LPC2292 微处理器简介

LPC2292是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TM

，并带有256k字节(kB)嵌入的高速Flash存储器。128 TDMI S CPU

位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。引脚图如图3.1所示。

图3.1 LPC2292引脚图

由于LPC2292的144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2路CAN、6路PWM通道以及多达9个外部中断使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。LPC2292包含76(使用了外部存储器)～

112(单片)个GPIO口。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用。其结构框图如图3.2所示。

16/32位ARM7TDMI-S微处理器，LQFP144封装。

16kB片内静态RAM和256kB片内Flash程序存储器。128位宽接口/加速器可实现高达60MHz的工作频率。

通过片内boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)。512字节行编程时间为1ms。单扇区或整片擦除时间为400ms。

EmbeddedICE-RT和嵌入式跟踪接口使用片内RealMonitor软件对任务进行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。

图3.2 LPC2292结构框图

2个互连的CAN接口，带有先进的验收滤波器。多个串行接口，包括2个16C550工业标UART、高速2I C接口(400 kbit/s)和2个SPI接口。

8路10位A/D转换器，转换时间低至2.44μs。

2个32位定时器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)、实时时钟和看门狗。

向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。

通过外部存储器接口可将存储器配置成4组，每组的容量高达16Mb，数据宽度为8/16/32位。

多达112个通用I/O口(可承受5V电压)，9个边沿或电平触发的外部中断引脚。

通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率。

片内晶振频率范围：1～30MHz

2个低功耗模式：空闲和掉电

通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒

可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。

双电源

－CPU操作电压范围：1.65～1.95 V(1.8 V±0.15 V)

－I/O操作电压范围：3.0～3.6 V(3.3 V±10%)，可承受5V电压。

LPC2292 集成了一个256kB 的FLASH 存储器系统。该存储器可用作代码和数据的存储。对FLASH 存储器的编程可通过几种方法来实现。可通过串口进行在系统编程，也可以在应用程序运行时进行在应用编程。这样为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。当使用片内bootloader 时，有248kBFlash存储器可作用户代码使用。

片内SRAM 可用作代码和/或数据的存储。SRAM 支持8 位、16 位和32 位访问。LPC2292 具有16kB 静态RAM。

4 基于嵌入式的充电控制器的硬件设计

本文的充电控制器以嵌入式作为平台，以ARM7 LPC2292 为核心，由于该款芯片的片内外设功能丰富，能完成模拟量的采样转换、数据处理和控制调节、以及片内的定时器可产生占空比调节的 PWM 控制信号，完全能够实现蓄电池的充电控制，同时该单片机的 I/O 端口和异步串行通信接口能方便实现外接 LCD 显示和上位机的串行通信。充电控制器的硬件结构如图 4.1 所示。这种数字化的充电控制器满足了充电系统输出可编程控制、具有数据通讯和显示、智能化控制等要求。下面将分别介绍充电控制器中复位电路、JTAG 接口、LCD 串行接口和 RS232 接口的硬件设计。 温度采样

输入电压采样

输出电压采样

输出电流采样

PWM 波输出

RS232接口LCD 显示JTAG 程序下载调试

复位电路LPC2292

图4.1 充电控制器硬件结构图

本系统对 CPU 的特殊要求有以下几点：

(1). 能提供至少 1 路独立的脉宽调制(PWM)输出(若不能提供，则系统的工作频率至少要求 100M 以上)；

(2). 有4个 8 位或者 10 位精度的 AD 转换器(现在也有不少单片机带有 AD 功能，但单买 AD 转换器会造成成本的提高)；

(3). 带有 CAN 总线控制器；

(4). 具有 JTAG 接口；

(5). 除以上之外，至少还需要 35 个普通 I/0 口。

考虑以上条件，采用ARM 公司 LPC2200 系列中的 2292 微控制芯片作为中央处理器。下表4.1给出 LPC2292 的管脚配置。