毕业设计（论文）纯电动汽车电池管理系统(BMS)

《毕业设计（论文）纯电动汽车电池管理系统(BMS)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）纯电动汽车电池管理系统(BMS)（38页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、摘 要随着工业发展和社会需求的增加，汽车在社会进步和经济发展中扮演着重要的角色。汽车工业的迅速发展，推动了机械、能源、橡胶、钢铁等重要产业的发展，但同时也日益面临着环境污染、能源短缺的严重问题。纯电动汽车以其零排放，噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，被称作绿色环保车。作为发展电动车的关键技术之一的电池管理系统(BMS)，是纯电动车产业化的关键。车载网络数据采集系统就是这样一个电池管理系统，可以直接检测及管理电动汽车的储能电池运行的全过程，实现对车载多级串联锂电池、电池温度、车速等数据的监测、采集和分析。本论文是基于CAN总线的车载网络数据采集系统选用STM32F103VB作为系统的核心芯片

2、，通过芯片自带的12位ADC对端口电压分别进行采集和监测，并通过CAN网络将采集到的数据发送到汽车仪表盘，为车辆状态量实时监测提供数据来源。关键词：纯电动车，电池管理系统，电池状态，STM32F103VBAbstractWith industrial development and social demand, vehicle of social progress and economic development play important roles. Although the rapid development of automobile industry promote the mac

3、hinery, energy, rubber, steel and other important industries, it is increasingly faced with environmental pollution, energy shortages and other serious problems. With the merit of zero-emission, and low noise, the pure electric vehicles which is called green cars has got more and more attention arou

4、nd the world. As one of the key technologies for the development of electric vehicles ,battery management system (BMS) is the point of the pure electric vehicle industry. Vehicle network data acquisition system is a battery management system that can directly detect and manage the storage battery el

5、ectric vehicles to run the whole process, to achieve the data monitoring, collection and analysis of the on-board multi-level series of lithium battery, battery temperature, speed, and other The thesis is based on the vehicle CAN bus data acquisition system to chose STM32F103VB network as the core o

6、f the system chip.12-bit ADC which comes from the chip collect and monitor the port voltages and sent the collected data to the car dashboard through the CAN network , which offer real-time monitoring of vehicle status amount of data sources. Key words：Pure electric cars, Battery Management Systems,

7、 The battery state, STM32F103VB摘 要1Abstract2第一章 前言51.1 本课题研究的目的和意义51.2 车载网络数据采集系统的国内外研究现状61.3 本论文研究的主要工作7第二章 车载网络数据采集系统设计的原理92.1 车载网络数据采集系统的功能概述92.1.1 车载网络数据采集系统的结构102.1.2 基于STM32的车在网络数据采集系统设计控制框图102.2 信号的采集与处理112.3 车载系统的网络通讯122.3.1 CAN网络的基本概念122.3.2 CAN网络在车载数据采集系统中的应用132.3.3 系统主要性能指标142.4 系统预期误差的评估

8、15第三章 基于STM32F103VB数据采集系统的硬件设计163.1 STM32F103VB简介163.2 STM32F103VB电源模块的设计173.2.1 电源电路的设计173.2.2 STM32启动模式电路选择设计183.3 STM32F103VB外围接口电路的设计193.3.1 模数转换器的电路设计193.3.2 测温电路设计203.3.3 复位电路的电路设计213.4 STM32F103B通讯电路的设计213.4.1 CAN通讯接口电路设计213.4.2 JTAG程序调试接口电路设计223.4.3 RS485通讯电路设计23第四章 基于STM32数据采集系统的软件设计254.1 K

9、eil uVision3平台简介254.2 基于STM32的车在网络数据采集系统的程序设计254.2.1 数据采集模块程序设计264.2.2 LCD显示模块程序设计274.2.3 数据存储模块程序设计274.2.4 CAN数据通讯模块程序设计284.2.5 RS485通讯模块程序设计28第五章误差分析与处理295.1 误差概述295.1.1 误差的主要来源295.1.2 误差的处理295.2 误差分析305.2.1 测控系统的非线性305.2.2 系统工作环境的噪声315.2.3 系统的稳定性315.3 误差处理325.3.1 实测电压数据分析325.3.2 整机PCB板设计33第六章 总结与

10、展望356.1 总结356.2 展望35参考文献36致 谢37第一章 前言1.1 本课题研究的目的和意义随着世界工业经济的不断发展和人类需求的不断增长，对全球气候造成严重的影响，二氧化碳排放量增大，臭氧层遭受到破坏等。全球灾难性气候变化屡屡出现，严重危害到人类的生存环境和健康。面对全球气候变化，急需世界各国协同减低或控制二氧化碳排放，这样以低能耗、低污染、低排放为基础的“低碳经济”概念应运而生，是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。“低碳经济”的实质是高能源利用效率和清洁能源结构、追求绿色GDP的技术，核心是能源技术创新、制度创新和人类生存发展观念的根本性转变。我国汽车工业的发展

11、，汽车持有量随着经济的增长越来越大，产生的废气就会随之增多，这样就有悖于当今国际国内倡导的“低碳经济”。因此，新时代的汽车产业也明确提出了“绿色能源汽车”的环保概念，逐渐成为全球各大汽车企业面对的主要发展方向。在降低碳排放量，保护地球生态环境的国际大背景下，中国政府也明令提出”低碳减排”，从而实现“低碳经济”的持续发展战略。电动车被认为是传统汽车向氢燃料电池车过渡过程中的最佳解决方案。而在传统汽车领域被外资“欺负”了几十年之后，中国希望在电动车领域找到出口，扮演新一轮汽车产业发展潮流的领导者。电动汽车从动力系统提供能源的角度来分类，主要分为纯电动、混合动力和燃料电池汽车。纯电动汽车主要是由动力

12、电池提供能源，目前还处于研究试用阶段，还不能进行大规模的推广和使用。不论是从经济性、方便性和制造难度上来讲，纯电池动力车的优势都是比较明显的。驱动电池动力车的主要动力来源于多级串联的锂电池，但是由于电池个体差异相差比较大，每个电瓶的工作状态、性能指标也各不相同，给绿色能源汽车的管理带来很大的不便。 因此设计一种绿色能源汽车的各种运行数据特别是多级锂电池进行监测、管理的系统是十分有必要的。而本论文所描述的设计就是实现上述功能的车载数据采集管理系统。绿色能源电动车需要由多级串联的锂电池为其提供动力，但由于电压的串联叠加导致正极处具有非常高的浮电压，可达到300V以上。而普通的检测仪器输入端口的耐压

13、值一般在5V左右，很难满足车载电池的监测和采集，更无法实现对多级电池的动态监测，判别出个体电池的工作状态。本文中所涉及的基于CAN总线的车载网络数据采集系统选用STM32F103VB作为系统的核心芯片，通过芯片自带的12位ADC对端口电压分别进行采集和监测，并通过CAN网络将采集到的数据发送到汽车仪表盘，为车辆数据的实时监测提供数据来源。对于该课题内容的研究，可以实现对车辆行驶过程中各类参数（如车速、电池电压、刹车信号等）的动态采集和分析。总体框图如图1-1所示。图1-1 采集系统总体框图如示意图所示，用户无需对各个参数进行独立的测量，实现各种参数的集中式管理。特别是该系统利用较少的接口实现了

14、对多块电池电压的实时智能监控，很大程度上减轻了车辆管理人员的负担。1.2 车载网络数据采集系统的国内外研究现状作为电动汽车的三大核心技术之一的车载电池系统，从功能上来看类似于传统汽车中的的发动机，是电动汽车的“心脏”，也是电动汽车惟一的动力来源。车载电池管理系统的技术水平直接关系到电动汽车的质量与安全性。而电池管理系统是这一核心技术的重要组成部分。由于绿色能源汽车一般都采用多级串联的锂电池作为车辆的主要动力系统，一般由几十只甚至数百只单体电池组成。而电池的一直性和均衡性则关系到电池的寿命和安全，对车辆的动力也有至关重要的影响。目前，影响电动汽车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性和使用成本问

15、题，延长电池的使用寿命是降低使用成本的有效途径之一。电池管理系统的功能是要监测每一只电池的状态和电池组的电量、健康度及高压漏电检测，要保证这几百只电池的均衡性，其重要性显而易见。为确保电池性能良好，延长电池使用寿命，必须对电池进行合理有效的管理和控制，为此，国内外均投入大量的人力物力开展广泛深入的研究。无论是汽车整车企业还是电池生产企业，都已认识到能源管理系统的重要性，也非常重视这一技术的研发与应用。随着绿色能源汽车的兴起和推广，国内外已经有部分科研机构开始着手对车载电池管理系统进行研究和开发。国内对于车载电池管理系统的研究尚处于起步阶段，如同济大学与来自北美的芯片开发商凹凸科技(O2 Mic

16、ro)建立了汽车电子应用技术联合实验室,将凹凸科技的芯片应用于为超越系列燃料电池汽车研发的燃料电池和储能电池管理系统。该实验室与上汽集团等联合开发的电池管理系统目前已初步试运行在上海世博会的燃料电池汽车系统中。虽然类似的有关车载数据的采集系统的设计方法比较多，但大多数的车载数据采集系统都是针对部分参数进行小规模的集中管理。还不能适应全车数据的便携式采集和整车数据的动态分析。而本课题中还需要实现对多块电池的智能管理，目前市场上同类产品的研发还比较缺乏。在国际上，也有不少发达国家对该课题进行了深入的研究，并取得了一些成果。如日本青森工业研究中心从1997年开始至今，仍在持续进行电池管理系统实际应用

17、的研究；美国Villanova大学和USNanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测；丰田、本田以及通用汽车公司等都把电池管理系统纳入技术开发的重点。但由于这些产品价格昂贵，适用领域有所限制，知识产权等问题，不适合于在国内进行大范围的推广和使用。 1.3 本论文研究的主要工作综合国内外的在电池管理系统上的情况，开发一套适用范围广、使用简单方便、价格低廉的系统，给广大电瓶车用户的带来实惠的同时，也对降低传统能源的消耗，减低碳排放起到了重大的作用。在本课题的研究过程中，阅读了大量的书籍和参考文献，并深入汽车生产单位进行实地考察和调研，充分对本课题的可行性进行分析。

18、在硬件设计方面，根据前期论证的基础，对整个车载数据采集系统进行了详细的硬件电路设计，根据系统的功能需求分析完成了元器件的选型和原理图和PCB板的设计工作，并对电路板进行了初步的功能调试。在软件设计方面，在Keil软件平台上完成了嵌入式单片机STM32F103B的程序设计，实现对车载多级串联锂电池、电池温度、车速等数据的监测、采集和分析。以软件流程图的方式将系统的嵌入式软件设计与软件代码结合起来，实软件程序的编写和测试。第二章 车载网络数据采集系统设计的原理2.1 车载网络数据采集系统的功能概述车载网络数据采集系统实际上就是一套电动汽车的电池管理系统，它主要是对电池系统中的几十块甚至是上百块电池

19、进行有效地管理。对电池组中的每一块电池的电量、温度进行有效地检测，以及检查某一块电池是否低电量、是否有故障，防止因某一块电池电量过低或者出现故障而不能正常工作导致整个电池系统崩溃的情况发生。表2.1为各模块的主要功能、传感器采集信号和执行器件。表2-1 电池管理系统的主要模块电池管理系统模块功能传感器采集的信号执行器件电池保护模块防止电池过充、过放、过流电压、电流充电机及电机功率转换器电池检测模块监测蓄电池的工作状态状电压、电流、温度显示装置SOC模块预测电池的SOC 值电压、电流、温度显示装置均衡充放电模块对电池的充放电进行均衡管理电压、电流均衡装置车载网络数据采集系统这样一个电池管理系统对

20、电动车电池组进行管理，电池的电压、容量、温度参数进行检测。比如电池低电量、电池温度过高、使用时间过长以及短路等会导致电动车无法正常行驶的因素在即将发生或者已经发生的危险信号等，可以起到报警作用，便于人们及时排除故障。车载网络数据采集系统除了对电动车的电池系统进行有效地管理以外，其他的功能还有能准确且及时检测车辆系统的参数如:发动机转速、车速、节气门开度、刹车、水温、真空度、挡位、空调状态、钥匙状态、离合器状态等,并通过总线传送给多能源管理单元,多能源管理单元以此作为决策依据. 因此,此系统可以作为整辆汽车系统的眼睛.综上所述，车载网络数据采集系统的主要工作原理可简单归纳为：数据采集电路首先采集

21、电池状态信息数据，再由电子控制单元(ECU)进行数据处理和分析，然后根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递信息。 2.1.1 车载网络数据采集系统的结构车载网络数据采集系统是一种新型且性能比较好的电池管理系统，选用的是集成了CAN 控制器模块STM32芯片平台的微控制器，建立在一块PCB板的嵌入式单片机。嵌入式系统分为硬件和软件两个部分，由于其低功耗，体积小，集成度高等优点，在各个领域得到广泛的应用。嵌入式系统由性能较高的微处理器为核心,配合大容量的程序和数据存存器及总线接口构成,由此它能对从总线上传来的系统信息进行迅速处理,大容量的数据存储器中存放了系统运行最佳状态参数

22、,这样处理器就能及时并精确按控制策略对采集到的电池数据变量进行分析并处理。本论文所描述的车载网络数据采集系统的主要由微处理器、开关量接口、ADC转换、频率变换及CAN总线接口构成。 电池管理单元由高性能32位的，基于ARM核的较高级的微处理器和必要的外围电路构成,采集系统收集各电池的当前状态参数(电压、容量、温度) ,并将这些信息进行处理后通过CAN网络发送到主节点上，实现对车的身上的各种参数的动态测量。同时也会将电池组的状态量传送到显示单元进行显示。 2.1.2 基于STM32的车在网络数据采集系统设计控制框图根据动力电池管理系统功能和实际参与控制的对象, 设计出电池管理系统中央控制器及电池

23、测控模块,采用功能划分和模块化设计思想, 系统分离成不同的功能模块。电池管理系统中央控制器是整个系统的核心,整个硬件系统主要由3 个模块组成: （1）信号采集模块; （2）中央处理器模块; （3）显示模块。本文设计的数据采集系统的原理框图如下图2-1 所示。图2-1 数据采集系统的原理框图2.2 信号的采集与处理电动汽车的蓄电池组通常要包含几十只甚至上百只单体电池，锂电池或镍氢电池可能达到上百个单体，通常工作电压在300 V 左右，工作电流高达几百安培。电池组一般都采用串联方式工作，工作电流与单体电池是一样的，检测比较容易，而端电压的检测则比较困难。若只检测电池组的端电压，方法很简单，只需在电

24、池组的两端接上检测电路即可，但这样做是不行的，因为虽然可以得到总的工作电压，但无法判断具体某只单体电池的端电压，而只要有一只电池出问题就会影响整组电池的正常工作和性能。电池管理系统需要采集的信号有:电压信号、电流信号和温度信号。过多的信号将导致电池管理系统过于复杂,从降低成本和提高系统的可靠性等方面考虑,电池管理系统越简单越好。电池管理系统信号采集如下:(1) 电压信号的采集:锂离子电池管理系统需要采集每个单体电池的电压信号。电压采集电路通过线性光耦开关依次选择被测的电池单体,通过采样保持电路后,经A/ D 转换采集电压数据。(2)电流信号的采集:系统只需采集整个电池箱的充放电电流,故采用分流

25、计采集电流数据。(3)温度信号的采集:采用温度传感器采集温度数据。综合考虑温度的准确性和可靠性,电池箱设置10个温度采集点,均匀分布在电池箱的待测电池单体上。本文所述信号采集系统的基本处理方法，是外围电路提供一个参考电压，把采集到的状态量转换为电压信号，通过两者的比较，把得出的数据通过CAN口传输到仪表上显示。通过比较得出的X值就是所检测的电池电压。本系统设定的参考电压为3.3V，假设采集到的信号量为X，采用的原理公式如下：电池电压参考电压=XOXFFF2.3 车载系统的网络通讯2.3.1 CAN网络的基本概念CAN总线是德国Bosch公司20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器

26、之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议.CAN已成为国际标准( ISO - 11898) ,是具有国际标准的现场总线,规范210A 和210B. CAN 总线可支持8 /16位CPU,可与各种处理器接口或组成智能化仪器仪表;可工作于多主工作方式,任一节点任一时刻均可主动发送信息,不分主从,通讯方式灵活,可方便的构成多机容错系统;节点可分成不同优先级,满足不同的实时要求;采用非破坏性总线仲裁技术,多点同时发送时,优先级低的节点,主动停止发送,优先级高的不受影响继续发送,有效的避免了总线冲突;可采用点对点、一点对多点及全局广播等方式传送和接收数据,直接传送距离达10km /5Kbps, 速率最

27、高达1Mbp s/40m,总线上的节点数据理论值达2000 个,实际由于时延可达110个;采用短帧结构每一帧有效字节8个,传输时间短,受干扰概率低,重新发送快;通讯介质可采用双绞线及光纤;用户接口简单、编程方便;温度- 40 + 125工作;节点故障时有自动关闭总线功能,可以与总线脱离,不影响总线操作;每帧具有CRC校验和其它检测措施,保证出错率极低;具有很高的适应性;接口收发器具有瞬时电压保护, RT抑制、热保护、短路保护等. CAN 通信协议规定了4 种不同的帧格式,即数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。基于下列5 条基本规则进行通信协调：（1）总线访问；（2）仲裁；（3）编码/ 解码；（4）

28、出错标注；（5）超载标注。电动车对通信系统的要求是: （1） 数据传输可靠、实时性高,传输速率高、误码率低; （2） 系统的可靠性高,即当节点或总线出现故障时对整车性能的影响尽可能的小; （3） 系统的鲁棒性好,允许多主网络存在。CAN 总线作为一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络完全能够满足这些要求,其模型结构只有三层,即物理层、数据链路层和应用层。2.3.2 CAN网络在车载数据采集系统中的应用电动车CAN 总线系统,由中央控制器、电池管理系统、电机控制系统、制动控制系统、仪表控制系统组成。各个控制器之间通过CAN 总线进行通信,以实现传感器测量数据的共享、控制指令的发送和接收等

29、,并使各自的控制性能都有所提高,从而提高系统的控制性能。它们之间的通信与信息类型为信息类和命令类。信息类主要是发送一些信息,如传感器信号、诊断信息、系统的状态。CAN 总线具有较高的性价比,结构简单,器件容易购置,每个节点的价格较低,开发技术容易掌握,能充分利用现有的单片机开发工具。本文所设计的数据记录系统是应用在电池电动汽车的整车分布式CAN 网络上的, 对整个CAN 网络上的节点数据进行采集和存储。整个系统的结构图如图2-2所示。图2-2 CAN网络结构图CAN网络在本文设计采集系统中起到的作用跟如上所述相同。通过信号采集系统对各单体蓄电池的温度和电压进行监测采集，通过CAN总线与控制器进

30、行通讯，将蓄电池组SOC，温度和电压等参数实时传送给总控制器。2.3.3 系统主要性能指标一般认为电池管理系统主要有如下功能：电池状态参数采集(包括温度、电压、电流等)、电池荷电状态(SOC)的准确估计、不健康电池的早期诊断、对电池组安全运行全面监控，如防止电池的过充电和过放电等。本采集系统的各项功能及指标（1） 自动在线连续监测不同标定电压电池的单体电压及总电压值。（2） 自动对蓄电池组参数按时间顺序循环检测。（3） 电池老化监测与落后电池甄别，对其补充充电。（4） 电池组/ 单电池充电压监测与超常判断，报警。（5） 网络化设计，远程管理和集中监控。（6）模块化结构，便于安装维护。2.4 系

31、统预期误差的评估本文设计的的车载网络数据采集系统是对电动车动态下进行数据采集的，由于诸多外界因素的影响，不可避免的会造成系统误差。(1) 电流测量误差。本系统采用的是霍尔是电流计，二而电机内的电流产生的磁场会对霍尔电流计产生影响，这样就导致了测量误差的出现。(2) 电池温度误差。电池的温度是通过温度传感器采集信号的，电动车在运行过程中会出现颠簸，可能导致传感器松动等不良测量状态的出现，这样测量的电池温度就可能不全是电池温度，采集的信号也可能是温度信号。(3) 电机温度误差。电机的温度测量采用的信号放大装置，PT100是很敏感的电阻。稍微遇到信号干扰就会出现测量值的偏差，比如噪声等造成的。(4)

32、 车速测量误差。车速测量采用的是脉冲采集法，由于每个脉冲方波的时间很短，对信号的采集控制就不容易控制。如2.3图所示图2.3 脉冲方波图如每五个周期的脉冲进行一次采集，系统就可能以脉冲的上沿线和下沿线难以辨别，就会造成采集时间长度T1和T2的不同，这样就会存在一个周期的误差。第三章 基于STM32F103VB数据采集系统的硬件设计本章重点介绍STM32F103VB系列芯片以及其外围电路的设计。选择STM32F103VB芯片的原因是因为这个芯片带有CAN借口和ADC模数转换器，而汽车上几乎所有的端口都是CAN接口。而且此采集系统可以实现多块高压电池的状态进行动态检测，并不需要转换数据就可以直接从

33、CAN端口输送到仪表上面显示出来。具体可以检测的内容如查电池是否有故障，某一块电池低电压而且可以找出是哪一块电池出现了异常。这就是本采集系统的意义所在。车载网络数据采集系统的硬件主要分为微控制器最小系统、信号采集电路、电源电路、光电隔离电路、信号巡检电路、CAN 通信和串口通信以及扩展EEPROM电路。如图3-1所示： 图3-1电池管理系统硬件框图3.1 STM32F103VB简介STM32F103VB是一个完整的系列，其成员之间是完全地脚对脚兼容，软件和功能上也兼容，其功能描述如下。（1） 内核：ARM 32位的Cortex-M3 CPU：最高72MHz工作频率；在存储器的0等待周期访问时可

34、达1.25DMips/MHz；单周期乘法和硬件除法。（2） 存储器：从64K或128K字节的闪存程序存储器；高达20K字节的SRAM。（3） 时钟、复位和电源管理： 2.03.6伏供电和I/O引脚；上电/断电复位 (POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)； 416MHz晶体振荡器；内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器内嵌带校准的40kHz的RC振荡器；产生CPU时钟的PLL；带校准功能的32kHz RTC振荡器（4） 低功耗：睡眠、停机和待机模式；VBAT为RTC和后备寄存器供电（5） 2个12位模数转换器，1s转换时间(多达16个输入通道)：转换范围：0至3.6V；双采样和保持功能；温

35、度传感器（6） DMA：7通道DMA控制器；支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C和USART（7） 多达80个快速I/O端口：26/37/51/80个I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号（8） 调试模式：串行单线调试(SWD)和JTAG接口（9） 多达7个定时器：3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入；1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器；2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)；系统时间定时器：24位自减型计数器。（10） 多达9个通信接口：多达2个I2C接口

36、(支持SMBus/PMBus)多达3个USART接口(支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制)；多达2个SPI接口(18M位/秒)；CAN接口(2.0B 主动)；USB 2.0全速接口。（11） CRC计算单元，96位的芯片唯一代码（12） ECOPACK封装这些丰富的外设配置，使得STM32F103VB产品容量增强型系列微控制器适合于多种应用场合：（1） 电机驱动和应用控制（2） 医疗和手持设备（3） PC游戏外设和GPS平台（4） 工业应用：可编程控制器(PLC)、变频器、打印机和扫描仪（5） 警报系统、视频对讲、和暖气通风空调系统等3.2 STM32F103VB电源模

37、块的设计3.2.1 电源电路的设计STM32F103VB系列的供电方案如下：（1） VDD=3.3V：VDD引脚为I/O引脚和内部调压器供电。（2） VSSA，VDDA = 3.3V：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，VDDA不得小于2.4V。VDDA和VSSA必须分别连接到VDD和VSS。（3） VBAT=1.83.6V：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。供电模块电路图如图3-2所示图3-2 供电电路由稳压模块JP7提供12V的电压，F1为保险丝，过流时自行熔断达到保护电路的作用。D1是二极管，也是起到

38、电路保护的作用，电池模块正负极接反的情况下，防止稳压模块LM1117-3.3受到损坏。C1和C2都是滤波的电容，提供一个稳定的电压值。LM1117-3.3是一个低压差稳压器系列，可以是Vout端的电压稳定在3.3V，此电压满足芯片电压要求，可以直接输入芯片的VDD接口。 3.2.2 STM32启动模式电路选择设计 STM32这颗Cortex-M3控制器，与其他许多ARM一样，提供了BOOT0和BOOT1两个管脚用于启动选择。(1)BOOT1=x；BOOT0=0。从用户闪存启动，这是正常的工作模式。(2)BOOT1=0；BOOT0=1。从系统存储器启动，这种模式启动的程序功能由厂家设置。（用于串

39、口ISP）(3)BOOT1=1，BOOT0=1。从内置SRAM启动，这种模式可以用于调试。在芯片上电复位时，BOOT0和BOOT1两个管脚的状态将决定芯片从何处启动。模式选择的电路比较简单，如图3-3所示图3-3 模式选择电路3.3 STM32F103VB外围接口电路的设计3.3.1 模数转换器的电路设计 数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权代码，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换为模拟量，必须将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟，从而实现数字-模拟的转换。这就是构成A/D转换器的原理。本论文ADC外围电路设计图如图3-4所

40、示，从电源电路得到3.3V电压，经过滤波器滤波后得到稳定的3.3V参考电压。图3-4 模数转换器电路STM32F103VB增强型产品内嵌2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC共用多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，自动进行在选定的一组模拟输入上的转换。ADC接口上的其它逻辑功能包括： 同步的采样和保持 交叉的采样和保持 单次采样ADC可以使用DMA操作。模拟看门狗功能允许非常精准地监视一路、多路或所有选中的通道，当被监视的信号超出预置的阀值时，将产生中断。由标准定时器(TIMx)和高级控制定时器(TIM1)产生的事件，可以分别内部级联到ADC的开始触发和注入触

41、发，应用程序能使AD转换与时钟同步。3.3.2 测温电路设计由于蓄电池组的温度变化是缓慢的，因此单片机对多组蓄电池组的温度进行循环检测传感器测量值经过转换，放大，滤波等处理，在经过单片机的ADC模数转换器后得到的测量值，经过软件的是设定值换算就可以得到电池组的实际温度。温度信号的采集用的是电桥测量变换量，再由LM324放大信号的原理。电路图如图3-5所示。图3-4 温度测量电路在电桥电路中安装一个PT100电阻，此电阻在温度不发生变化时，电桥是处于平衡状态的，也就是说电桥的输出端的两端压差为0。当温度出现变量时，PT100的阻值便发生变化，从而体现位电桥的输出端压差变化。温度变化是一个缓慢的过

42、程，温度变化过程中PT100的变化量非常小，因此电桥电路中产生的压差很小，像1mV这样的压差变化的测量是不可能用电压表测量的，这样，采用了LM324对信号进行放大，使之变化信号在1V以上，经过单片机的ADC模数转换器后得到的测量值，再通过定值换算就可以得到电池组的实际温度。3.3.3 复位电路的电路设计 复位电路的设计比较简单，如图3-5。其功能就是让芯片的内部电压数据恢复到原始值。采用的方法就是让其电源电压接地，复位开关不打开时，电路一直处于高频 脉冲，当复位开关打开时，输入端电压与地相接，电位为零，电路中出现一个低脉冲是的芯片内部数据回复初始值。图3-5 复位电路3.4 STM32F103

43、B通讯电路的设计3.4.1 CAN通讯接口电路设计CAN 通讯协议采用目前流行的J 1939 协议。J 1939 是一种支持闭环控制的在多个ECU 之间高速通信的网络协议,它是以CAN2. 0 为网络核心。SAE J 1939 不仅能够传输测量值和控制数据并配置元件,还能够读或删除单个元件诊断数据,并对单个控制进行校准。表3.1介绍了CAN2. 0 的标准和扩展格式,及J 1939 协议所定义的格式。表3.1 CAN标准和扩展格式CAN扩展帧格式SOF11位标识符SRRIDE18位扩展标识符J1939帧格式帧起始位优先权3位R位（保）数据页DPPF格式6位SRR位扩展标识PFPS格式（8位）源

44、地址（8位）CAN12-4567-12131415 1617-2425-32帧位置28-26252423-1817 1615-87-0CAN 网络数据通信采用的是CAN 控制芯片MCP2551.单片机能完成数据的采集并上报,以及接受上位机的命令. 采集得到的数据在CAN控制器MCP2551中完成CAN 协议包的封装.收发器PCA82C250提供差动发送和接受能力,提高总线的驱动和抗干扰能力,完成数据在CAN总线上的收发，总线的两个端点需加120的匹配电阻。如图3.7所示。图3-7 CAN网络通讯电路图3.4.2 JTAG程序调试接口电路设计JTAG可以对同一块电路板上多块芯片进行测试。TRST

45、、TCK和TMS信号并行至各个芯片，而一块芯片的TDO接至下一芯片的TDI。电路图如图3-8所示。图3-8 JTAG程序电路图各接口功能如下所述：(1) TRST：测试复位输入信号，测试接口初始化(2) TCK：测试时钟，在TCK时钟的同步作用下，通过TDI和TDO引脚串行移入移出数据或指令；同时，也为TAP（测试访问端口）控制器的状态机提供时钟。(3) TMS：测试模式选择信号，控制测试接口状态机的操作。(4) TDI：测试数据输入线，其串行输入数据至边界扫描寄存器或指令寄存器（TAP控制器的当前状态及己保存在指令寄存器中的指令来控制）。(5) TDO：测试数据输出线，把从边界扫描链采样的数

46、据传输至串行测试电路中的下一个芯片。3.4.3 RS485通讯电路设计 本文的设计的系统还用到485接口，其电路图如图3-9所示图3-9 RS485通讯电路除上述之外，为了减小电磁干扰, 采取如下措施:1) 在微控制器和CAN 收发器之间加入高速光耦隔离器; 2) 单片机工作电源与车辆电源地线分离, 消除地线窜扰的可能; 3) 数字温度传感器使用屏蔽电缆封装, 屏蔽地搭铁; 4) CAN 总线选用屏蔽双绞线, RS485 总线也选用双绞线; 5) PCB 制作尽量加大线间距以降低导向间的分布电容, 使导向垂直以减小磁场耦合, 减小电源线走线有效面积; 第四章 基于STM32数据采集系统的软件设

47、计4.1 Keil uVision3平台简介Keil uVision3是Keil Software公司推出的一款可用于ARM核控制器的集成开发环境(IDE)，该IDE同时也是MC51及其它开发套件的一个重要组件。除增加源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，uVision3还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标MCU，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。uVision3提供逻辑分析器，可监控基于MCUI/O引脚和外设状态变化下的程序变量。Keil uVision3程序启动开始界面如图4-1所示。图4-1 Keil uVision3程序

48、启动开始界面4.2 基于STM32的车在网络数据采集系统的程序设计系统软件均采用模块化程序设计, 中央控制器程序采用C 语言编写, 根据系统具有的功能分为若干子程序。其中各节点程序流程图见图4.1。 图4.1 主程序流程图本系统的软件设计主要分为几个模块： 采集模块程序； LCD显示程序；CAN总线通信程序；RS485通讯模块程序。各节点结合采集到的电压、电流和温度等数据， 对A/D转换后的数据进行分析，通过CAN网络输出显示。 4.2.1 数据采集模块程序设计通过I/O口控制采集电路中的各个芯片，使各个模拟信号按要求进入到A/D转换口，根据A/D采样值计算出电池各种信息。数据采集的首先要初始

49、化ADC模数转换器，再运行程序程序。表示如下：void ADCData(void) InitADC ( ); /初始化ADC GetDataADC ( ); /模数转换4.2.2 LCD显示模块程序设计 LCD显示模块程序的运行开始前也是初始化，再运行程序，表示如下：void LCDDisplay(v8 Data) InitLCD ( ); /初始化 DataDisplay ( ); /显示 Delay ( ); /延时4.2.3 数据存储模块程序设计电池管理系统的工作周期长，有些重要参数、数据要求在掉电情况下不丢失，这就需要对存储模块的进行读写数据。存储模块程序运行开始前也是初始化，再运行程

50、序，表示如下：void Read/SaveEEprom(u8 Data) InitEEprom ( ); /初始化CloseIntr( ); /关闭所有中断WriteDatatoEEprom(u8 Data);/向EEPRom写数据data=ReadDataFromEEProm();/从EEProm读数据OpenIntr( ); /打开所有中断4.2.4 CAN数据通讯模块程序设计软件设计的结果主要是通过CAN总线传输到中央控制中心，使用车载液晶进行显示。根据液晶面板按键可显示两种界面:电池组信息，单体电池信息。CAN数据通讯模块程序运行开始前也是初始化，再运行程序，表示如下:void CAN

51、-Communicate(u8 Data) InitCAN ( ); /初始化CAN网络 CANSend ( ); /发送数据 CANRecv ( ); /接收数据 Data = CANData3; /从CAN寄存器读取数据4.2.5 RS485通讯模块程序设计RS485通讯模块程序设计同CAN数据通讯模块程序设计类似，都是运行开始前也是初始化，再运行程序，表示如下:void RS485-Communicate(u8 Data) Init RS485 ( ); /初始化 RS485Send ( ); /发送 RS485Recv ( ); /接收 Data = RS485 Data （3）; /

52、保存数据 STM32的车在网络数据采集系统的软件设计大致就有上述几类，是在Keil平台上开发，考虑到电动汽车的运行环境, 在系统硬件采用抗干扰措施的基础上, 进行了软件抗干扰设计。在软件设计中使用了滤波、冗余、软件陷阱等技术, 防止程序异常, 保证系统正常运行。第五章误差分析与处理5.1 误差概述5.1.1 误差的主要来源由于本文所设计的车载网络数据采集系统不可能绝对的精确，测量原理的局限性、测量方法的不够完善、周围环境因素影响和外界干扰的存在等，使得测量结果不能准确地反映出被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差，简称为误差。在定量分析中，误差主要来源于以下三个方面：(1) 分析方

53、法：由于任何一种分析方法都仅是在一定程度上反映被测体系的真实性。因此，对于一个样品来说，采用不同的分析方法常常得到不同的分析结果。实验中，当我们采用不同手段对同一样品进行同一项目测定时，经常得到不同的结果，说明分析方法和操作均会引起误差。(2) 仪器设备：由于仪器设备的结构，所用的仪表及标准量器等引起的误差称为仪器设备误差.如：传感元件不灵敏、仪表指示有误差、标定刻度不准等。(3) 操作环境：操作环境误差是由于操作的环境状态，如湿度、温度、气压、振动、电磁场、光线等条件与要求不一致而引起仪器设备的量值变化，仪器指示滞后或超前而产生误差。此外，环境对分析对象本身也会引起改变。5.1.2 误差的处

54、理为了提高测量数据的精确性，减小误差对数据的影响，本文从误差来源上进行分析和处理，最终争取将误差的影响减弱到最低程度。1 设备误差的处理(1) 标准器件误差的处理：本文在设计过程中对于系统中各个参数的测量所采用的器件的标准均比文中所要求的测量标准高一级别，如采用惠普多功能万用表来测量电压和电流，高精度的点温计进行温度测量等等。同时，还通过软件的方法对测量数据进行修正，保证所测数据的精度。(2) 仪表误差的处理：本文在设计过程中选择了较好的元器件、设计了较为合理的测试程序，并进行了适当的布局，这样就可以减少在测量过程中仪器本身引起的误差。(3) 附件误差的处理：本文在设计过程中通过采用标准成熟的

55、接口器件可以减少触点的影响等。这样可以减少在测量过程中由附件引起的误差。2 环境误差的处理在测试过程中，本文设计车载网络数据采集系统环境相对较为良好，温度、湿度和电磁干扰对本仪器的影响相对较小。一些恶劣的环境由于条件的限制暂时无法模拟。但信号采集系统在工作的过程中，对各个结果进行补偿和修正，以此抵消或削弱外界环境的变化对仪器测量所带来的误差。3 人员误差的处理人员误差是由测量人员造成的，包括技术性误差、粗心大意误差、程序性误差、明知故犯误差四种，在检验过程中由于人为因素而造成的检验误差占了大部分。为了减少操作人员带来的误差，应该主要从管理制度上入手，仪器的先进性只能减少其部分的影响。4 方法误

56、差的处理在对数据的处理上，本文在一组数据（本文是10个数据）中检测出12个不可靠数据并利用剩下的数据求加权平均计算出一个测试结果，这种处理方法可以在很大程度上减少由于外界环境造成的尖峰干扰，比较符合车载网络数据采集系统的设计要求。5.2 误差分析5.2.1 测控系统的非线性在车载网络数据采集系统中，测控系统的非线性包括传感器的非线性、放大器的非线性以及A/D转换器的非线性。传感器的非线性是传感器本身所固有的，任何传感器都有所适用的线性范围，超过这个范围，它的非线性将明显加剧。因此，要根据实际条件选择适当的传感器。电子学放大器也不是理想的，也存在线性度和线性范围的问题。在对温度进行测量的时候，由

57、于从传感电路采集到的电压比较小，不适合直接接到ADS1218的测量通道。为了提高精度，需要对ADS1218进行设置，采用电桥电路增益放大。在放大器中还存在不同放大倍数时，放大器本身工作条件变化而引起失调电流、失调电压的改变。失调电流的存在使得放大器偏离了理想曲线，在检测结果上，就表现为系统的非线性误差；另外，放大倍数不一定准确，它的误差也会引起非线性误差。A/D转换器和放大器一样，存在非线性误差和失调电压，最终使系统的线性变差。5.2.2 系统工作环境的噪声电子学系统的噪声是属于随机，噪声的波形是任意的，由于噪声的存在使检测结果在一个真值上叠加了一个起伏，这样我们在进行数据采集时就会有误差。来

58、自系统以外的电磁干扰会产生和噪声一样的结果。对于强信号和弱信号来说，当系统和系统所处的干扰环境一定时，噪声和干扰的水平是一样的，因此在检测结果上，弱信号更容易偏离其固有的真值。5.2.3 系统的稳定性电子学系统的稳定性要求包括放大器系统、传感器的温度漂移和无线数据通信的稳定性。为了降低系统的功耗，自动气象站长期处于休眠状态。在被永远远程唤醒的时候，需要稳定一段时间才能完全正常工作，保证检测到的数据结果是准确的。并且为了保证系统的转换结果的正确性，在软件实现的过程中，采用了去掉一个最大值，以及一个最小值，然后对剩余的数值求平均的算法。这样就要求系统在一次来自终端的测量请求后，需要连续读取5次连续

59、转换的结果，这就对整个气象站的系统相应提出了比较高的要求。5.3 误差处理5.3.1 实测电压数据分析本采集系统是把电池组分为10个单元来分开检测的，在实际检测中分别测量了三组不同工况下的电池电压，他们分别是：万用电表测量值；电机没有启动时本系统的测量值；电机启动本系统的测量值。数据如表5.1所示表5.1 不同工况的电压值电池编号检测方法01020304050607080910万用表测得3.323.313.323.303.303.313.323.323.303.31电机未启动采集系统测得3.323.323.323.313.303.293.323.333.293.32电机启动采集系统测得3.38

60、3.373.293.243.373.413.603.203.373.40 根据上表数据，在MATLAB里输入数据进行比对，得出图5-1所示的三种检测方式的数据曲线。从图中可以看出系统在电机不启动状态下测得的电压值与电池实测电压相差较小，当电机启动时，由于电机存在较大的电磁干扰，导致电池上存在一定的浮电压，因此采集系统所测得的电压值存在比较大的波动，数据显示Umax=0.12V，在系统允许的误差范围内。图5-1 三种不同状态下系统测试数据曲线5.3.2 整机PCB板设计PCB板设计的好坏对电路板抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时，必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。

61、要使电子电路获得最佳性能，元件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、造价低的PCB，本文在设计中考虑了以下几个方面。1 整体布局(1) 首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线路长，阻抗增加，抗干扰能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近导线易受干扰。本设计在保证了很好的抗干扰能力和散热条件下确定了合适的PCB尺寸。在元件位置的安排上，根据信号的输入输出流向进行安排。这样可以使得整个电路板的设计比较清晰，也方便最后的板级调试。(2)发热量多的元件应考虑散热问题。在电源转换模块，如果输入电压的压降比较大，就会使得LM1117-3.3产生较大的热量。为保证电路在高压降的条件下也能正常工作，我们在芯片上均安装了散热片，芯片和散热片之间涂上导热性较好的硅胶。同时，在PCB制版布线的时候，在芯片周围留出比较大的散热空间，通过版面上的网格敷铜增加散热的效果。(3) 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局，元件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元件之间的引线和连接。(4) 在印制电路板的各个关键部位配置适当的去藕电容。2 布线(1) 输入和输出端的导线应尽量避免相邻平行。最好在输入输出端的导线之间添加地