余仕俠,段佳委,王旭

(1.安徽江淮汽車股份有限公司,安徽合肥 230022；2.中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300300)

?

面向電池管理系統(tǒng)的FM30C256應(yīng)用設(shè)計

余仕俠1,段佳委1,王旭2

(1.安徽江淮汽車股份有限公司,安徽合肥 230022；2.中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300300)

摘要：鐵電存儲器FM30C256的非易失性數(shù)據(jù)存儲器、實時時鐘等功能增強(qiáng)了電池管理系統(tǒng)的可靠性。完成了FM30C256在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計，包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。在硬件設(shè)計中，完成了FM30C256外圍電路的設(shè)計，主控芯片選用MC9S12DG128；在軟件設(shè)計中，完成了數(shù)據(jù)存取和讀取程序設(shè)計、實時時鐘配置和讀取程序設(shè)計。

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng)；鐵電存儲器；應(yīng)用設(shè)計

0引言

電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)是電動汽車中保護(hù)電池安全工作的核心設(shè)備，其主要功能包括電池數(shù)據(jù)采集、故障診斷、剩余電量(State of Charge，SOC)估算等。在SOC估算功能中，開始SOC估算之前，需要將上一次估算得到的SOC值作為此次SOC估算的初值，為了保證在系統(tǒng)上電或重啟后，依然能夠獲取上一次估算的初值，BMS需要實時地將SOC的值存儲起來，并且保證數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電后不丟失[1]。同時，BMS運行在復(fù)雜的汽車環(huán)境中，可能會出現(xiàn)工作異常的情況，為了能夠在電動汽車出現(xiàn)故障后容易找到故障的時間和原因等信息，BMS需要將電池的工作狀態(tài)信息存儲起來，并且在對電動汽車檢修時，讀取最后一次存儲的電池工作狀態(tài)信息，通過分析這些信息找出故障原因。與SOC的存儲形式一樣，電池工作狀態(tài)信息的存儲也必須保證在系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)不丟失，同時由于電池信息量較大，因此存儲設(shè)備還需足夠的存儲容量[2]。文中選用鐵電存儲器FM30C256作為系統(tǒng)外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器。

1硬件電路設(shè)計

1.1FM30C256簡介

FM30C256是256 kb的數(shù)據(jù)存儲器，包括非易失性內(nèi)存、實時時鐘、CPU監(jiān)控和系統(tǒng)篡改檢測等功能。非易失性RAM是基于FRAM(Ferromagnetic Random Access Memory，鐵電存儲)技術(shù)，并且掉電后數(shù)據(jù)可以保存10年不丟失，相對于電池后備方式，它是真正的非易失性存儲器。同時FRAM在寫操作時具有無延遲的總線速率，并且擦寫次數(shù)超過10億次。實時時鐘以BCD碼的形式提供時間及日期信息。

1.2FM30C256硬件設(shè)計

存儲模塊的原理圖如圖1所示。

FM30C256使用內(nèi)置集成電路總線(Inter-Integrated Circuit，IIC)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，A0、A1和A2是器件的地址選擇引腳，文中將A2～A0這3個引腳接地[3]。RSM2008是32.768 kHz的晶振，為存儲器內(nèi)部實時時鐘模塊提供振蕩頻率。為了保證FM30C256在系統(tǒng)斷電后內(nèi)部時鐘模塊也能夠精確計時，還需為VBAK端提供預(yù)備電源。預(yù)備電源通常采用紐扣電池和超級電容2種方案，由于超級電容是可充電的電源，使用方便且無須更換，因此文中選用超級電容作為FM30C256的預(yù)備電源。C3是5.5 V/1 F的超級電容，R6和R7為分壓電阻，阻值分別選擇為270 Ω和470 Ω。D1為反向電流極小的二極管，防止超級電容漏電。

文中的主控芯片選用Freescale半導(dǎo)體公司的微控制器MC9S12DG128。

2程序設(shè)計與實現(xiàn)

2.1IIC總線協(xié)議簡介

IIC總線是Philips公司設(shè)計的一款高效的兩線制串行數(shù)據(jù)總線，全稱為芯片間總線，其總線標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率為100 kb/s，最高可以達(dá)到400 kb/s，且具有規(guī)范完整、結(jié)構(gòu)獨立、使用簡單和支持多主控等特點。在同一個IIC總線上有多個主機(jī)設(shè)備時，為了避免多個主機(jī)設(shè)備試圖同時啟動IIC總線傳送數(shù)據(jù)而造成混亂，IIC總線的總線仲裁功能可以決定在某一時刻由哪個主機(jī)控制總線。其中開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號是IIC總線協(xié)議中最重要的部分。

(1)開始信號。在時鐘信號(SCL)保持高電平的過程中，數(shù)據(jù)信號(SDA)由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑硎鹃_啟IIC總線，開始數(shù)據(jù)的傳輸。

(2)結(jié)束信號。在時鐘信號(SCL)保持高電平的過程

中，數(shù)據(jù)信號(SDA)由低電平改變?yōu)楦唠娖剑硎窘Y(jié)束IIC總線，終止數(shù)據(jù)的傳輸。

(3)應(yīng)答信號。從機(jī)設(shè)備在收到8位數(shù)據(jù)后的1個時鐘周期里，會發(fā)出低電平作為應(yīng)答信號，表示數(shù)據(jù)已接收到。IIC時序圖如圖2所示。

2.2數(shù)據(jù)存儲與讀取程序設(shè)計

FM30C256的存儲模塊在一個存儲周期內(nèi)可以存儲單個字節(jié)也可以存儲多個字節(jié)。其內(nèi)存地址由FM30C256內(nèi)部鎖存器鎖存，當(dāng)前的內(nèi)存地址就是鎖存器中鎖存的地址，直到下一次的地址新值被寫入之前，當(dāng)前地址值會一直保留[4]。每次存儲數(shù)據(jù)后，鎖存器中的地址值會自動遞增，這樣就允許連續(xù)存儲或讀取數(shù)據(jù)而無須重新尋址。單字節(jié)存儲和多字節(jié)存儲時序分別如圖3和圖4所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)存儲的時序圖，可以完成數(shù)據(jù)存儲的程序設(shè)計，其程序流程如圖5所示。

從圖5可以看出：MCU首先在IIC總線空閑時發(fā)起開始信號，然后向FM30C256發(fā)送從機(jī)地址，前7位1010000B為存儲模塊的地址，最后一位為0，表示寫入數(shù)據(jù)[5]；然后發(fā)送數(shù)據(jù)存放的內(nèi)存起始地址，選定內(nèi)存地址后即可發(fā)送待存儲的數(shù)據(jù)；在每傳送完成一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，F(xiàn)M30C256都會向主機(jī)MCU發(fā)送一個應(yīng)答信號，完成所有的數(shù)據(jù)存儲后，主機(jī)MCU發(fā)送結(jié)束信號。

在讀取存儲器中的數(shù)據(jù)時，由用戶指定讀取內(nèi)存的地址寫入地址鎖存器中，來讀取指定存儲中存儲的值[6]。與多字節(jié)數(shù)據(jù)存儲類似，F(xiàn)M30C256也支持多字節(jié)的數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)讀取時序如圖6所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)讀取的時序圖，可以完成數(shù)據(jù)讀取的程序設(shè)計，其程序流程圖如圖7所示。

從圖7中可以看出：數(shù)據(jù)讀取過程是先發(fā)送從機(jī)地址，從機(jī)地址最后1位為0，表示寫入數(shù)據(jù)，然后發(fā)送需要讀取數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址，收到FM30C256的應(yīng)答信號后重啟IIC總線，再發(fā)送1次從機(jī)地址，從機(jī)地址最后1位為1，表示讀數(shù)據(jù)，隨后讀取到的數(shù)據(jù)即為存儲在該內(nèi)存地址中的數(shù)據(jù)。

從圖7中可以看出：主機(jī)MCU首先在IIC總線空閑時發(fā)起開始信號，然后向FM30C256發(fā)送從機(jī)地址，前7位1101000B為時鐘模塊的地址，最后1位為0，表示寫入數(shù)據(jù)；然后發(fā)送待讀取的時鐘模塊內(nèi)寄存器地址，然后重啟IIC總線，再發(fā)送1次從機(jī)地址，從機(jī)地址最后1位為1，表示讀數(shù)據(jù)，隨后讀取到的數(shù)據(jù)即為時鐘模塊內(nèi)寄存器的時鐘信息[7]。

3結(jié)論

文中設(shè)計并實現(xiàn)了基于FM30C256的電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲與實時時鐘功能。首先完成了其硬件電路設(shè)計，主控芯片選用Freescale系列的MC9S12DG128；然后在IIC協(xié)議的基礎(chǔ)上完成了FM30C256的數(shù)據(jù)存儲與讀取和實時時鐘配置與讀取的程序設(shè)計。

參考文獻(xiàn):

【1】胡秀芝.鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計[D].北京：北方工業(yè)大學(xué),2014.

【2】高宗偉.磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計[D].重慶：重慶大學(xué),2014.

【3】杜中良,張旭輝.鐵電存儲器 FM31256在多用戶多費率電能表中的應(yīng)用[J].電站系統(tǒng)工程,2005,21(4):61.

【4】廉亞囡,陳彥.FM31256在區(qū)域火災(zāi)報警控制器中的應(yīng)用[J].兵工自動化,2006,25(4):77-79.

【5】鄭劍翔.FM31xxx鐵電存儲器及其讀寫程序[J].電子技術(shù),2004,31(6):50-54.

【6】鄭劍翔.基于FRAM鐵電存儲器的可移動數(shù)據(jù)采集器[J].電子技術(shù),2004,31(2):7-10.

【7】趙培宇,李其華.FRAM鐵電存儲器的應(yīng)用[J].江漢大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版,2004,32(3):51-54.

Design of FM30C256 Application Based on Battery Management System

YU Shixia1, DUAN Jiawei1， WANG Xu2

(1.JAC Automobile Co., Ltd., Hefei Anhui 230022,China;2.China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300,China)

Keywords:Battery management system; Ferromagnetic random access memory; Application design

Abstract:The functions of nonvolatile data storage and real-time clock in ferromagnetic random access memory FM30C256, enhance the reliability of the battery management system. The design of FM30C256’s application in the battery management system was finished, including hardware design and software design. In the hardware design, the FM30C256 peripheral circuit design was completed, main control chip is chosen MC9S12DG128. In software design, the program designs of the data storage and reading, the real-time clock configuration and reading were completed.

收稿日期：2016-01-21

作者簡介：余仕俠(1981—)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向為汽車總布置研究及整車動力匹配設(shè)計。E-mail：jacysx@jac.com.cn。

中圖分類號:U461.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)04-021-04