基于uCOS的手机监控电池组的系统设计与实现

纪宇中，吴鸿霞,邓彬伟,2

(1湖北理工学院 光谷北斗国际学院，湖北 黄石 435003;2湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003)

基于uCOS的手机监控电池组的系统设计与实现

纪宇中1，吴鸿霞2*,邓彬伟1,2

(1湖北理工学院 光谷北斗国际学院，湖北 黄石 435003;2湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003)

为准确获取电池组的状态，以LTC6802 SPI多电池采集芯片为基础，选取STM32单片机为硬件核心、uCOS操作系统为软件核心、无线蓝牙为通信模块，实现了对12节18650电池组电压及温度的监控，并将数据实时发送到LCD屏和手机APP上，为电池组的监控管理提供了方便。

电池组;LTC6802;STM32单片机;蓝牙模块;uCOS

0 引言

随着国家对环境保护的不断重视，以电池组为核心的能源动力应用越来越广泛，对电池组性能的研究与监控成为热点。LTC6802是凌力尔特(Linear Technology)公司生产的多节电池可寻址电池组监控芯片[1-4]，其被广泛应用于电池组测控方面，如冯亁等[2]进行了LTC6802检测串联电池组电压电路设计、徐昕晨等[1]对LTC6802-2在高压锂电池组测控系统中的应用进行了研究。随着手机和蓝牙技术的发展，采用蓝牙和手机监控能极大地提高用户使用的便利性；此外，多路电池监控实时性要求高，而uCOS操作系统具有很好的实时性，在很多嵌入式系统中得到应用,如基于实时操作系统uCOS-II进行ATmega128串行通信驱动程序设计[5]、uCOS-Ⅲ在北斗车载一体机终端中的应用[6]等。本文给出了基于uCOS利用LTC6802采集电池信息并通过手机蓝牙对多路电池监控的设计与实现方案。设计的处理器选用STM32单片机,通信模块使用无线蓝牙，实现了对12节锂电池组(电压达50V)的电压及温度的监控，并将数据实时发送到LCD屏和手机APP上。采用手机监控电池组状态的方案，可以充分发挥手机无处不在的优势，并且也可通过多个手机为后期多组电池组(电池阵列)的管理提供扩展能力。同时本系统提供了多路PWM输出信号，为进一步电池管理控制提供支持。

1 系统总体方案设计

系统由电池组模块、LTC6802模块、STM32单片机、无线蓝牙模块、LCD显示模块、电源变换模块以及有Android系统的手机及手机蓝牙APP组成。LTC6802从电池组获得电能，采集电池组每节电池信息并通过SPI总线传送给STM32单片机，STM32单片机通过uCOS多任务系统实时把数据送到LCD上显示，同时实时把数据发送给串口传给蓝牙模块，并发送无线信号到空中，Android手机收到蓝牙信号，通过APP把相关电池组信息输出，实现对电池组的监控。系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

2 LTC6802简介

LTC6802是凌力尔特(Linear Technology)公司生产的多节电池可寻址电池组监控芯片，其内部含有12位的AD转换器、精密电压基准、高电压输入多路转换器和SPI串行接口。每个芯片可以检测12节串联在一起的电池。同时，芯片还支持串联使用，最多可以将16个芯片串联在一起，能检测12×16=192节电池串联组成的电池组。每个AD的转换范围为0～5 V，每个芯片可检测串联电池组电压达60 V。另外，LTC6802还具有高温保护、电池过充过放电状态监视、电量均衡功能。

LTC6802有3种工作模式：待机模式、测量模式和监事模式。上电默认为待机模式，此模式下，只有串口和5V的稳压基准源处于工作状态，其他所有电路均不工作。必须通过串口通信，对LTC6802进行配置才可以启动其他电路，此时可向CFGR0的CDC[2∶0]位写入非0的值使其退出待机模式，LTC6802退出待机模式后VREF引脚可以检测到3.075 V的脉冲基准电压信号，否则检测电压为0 V，这可以作为判断串口通信是否成功的检测依据。

3 硬件设计

系统硬件设计时把LTC6802与单片机模块、LCD模块等集成在一块电路板上，可满足对电池组信息采集板小型化和稳定性的要求。

3.1系统版图

系统电路版图采用双面板设计，从左到右分为3个区，左边为模拟信号采集区，即LTC6802电路电池组信号采集阵列部分；中间区为LTC6802芯片部分、LCD屏接口和蓝牙模块接口等部分；右边区是STM32单片机系统以及DC-DC和LDO等部分。设计时考虑了模拟信号与数字信号的隔离问题，确保了系统硬件运行稳定。系统电路板的最右边还提供了多路PWM信号输出接口，为系统管理控制提供扩展能力。

3.2 LTC6802电路

LTC6802芯片能够较为方便地实现串联电池组的电压检测以及对电池的过充和过放电保护，还有可寻址的特性。每组监控模块可接入12节电池，每个监控单元可对16个不同的监控模块分别寻址。LTC6802电池组信号采集电路如图2所示。

图2 LTC6802电池组信号采集电路图

4 软件设计

为确保系统采集的实时性以及LCD显示及报警的互不干扰，设计采用了uCOS-III实时操作系统。数据获取和串口发送任务流程图如图3所示。

图3 数据获取和串口发送任务流程图

根据本设计需要，设置了3个主工作子任务，分别是报警任务void beep_task(void *pdata)，其堆栈为64字节，任务优先级为5,节拍时间共100 ms(50 ms蜂鸣器信号为高;50 ms信号为低，产生蜂鸣声);串口发送任务void uart1_task( void *pdata)，其堆栈为64字节，任务优先级为8，节拍时间200 ms，其中含LCD显示信息发送到LCD显示缓冲操作；LTC6802数据采集采用SPI通信进行，模拟SPI通信和数据获取放在void ltc6802_task(void *pdata)中，其堆栈为64字节，任务优先级为1，节拍时间8 ms。LTC6802寄存器通过SPI方式读取过程设置为临界区工作，读取完后通过消息邮箱机制通知串口发送任务进行工作，确保数据获取与输出有序不冲突。

5 测量结果分析

稳定度对于电压检测非常重要。稳定度越高，表明系统检测越准确，误差也越小。LTC6802内部含12位的AD转换器,最小检测步长是1.5 mV，对检测电压保留3位小数。测量了室温和12节18650锂离子电池的电压，并对检测到的电压值求方差。12节电池电压及温度测量数据见表1。由表1可以看到方差几乎为0，也就是说，检测电压比较稳定，而且检测精度高。

表1 12节电池电压及温度测量数据

6 结论

基于STM32单片机和嵌入式操作系统uCOS，利用LTC6802电池管理芯片实现了对12节18650锂电池组成的电池组电压及相关温度的采集，通过无线蓝牙方式及手机APP实时无线获取电池组电压及温度等状态，实现了对电池组的无线监控功能。系统采集板尺寸小、稳定性高，数据采集实时、精准，为进一步对电池组进行管理与控制提供了技术支持。

[1] 徐昕晨,彭月祥,邢晓乔.LTC6802-2在高压锂电池组测控系统中的应用[J].电源技术,2012,36(6):806-809.

[2] 冯乾,化春雨,朱炯,等.LTC6802检测串联电池组电压电路设计[J].电源技术,2014,38(2):252-254.

[3] 刘金枝,杨鹏,苑倩,等.基于Kalman滤波的锂电池组数据采集系统[J].电源技术,2016,40(1):70-72.

[4] 麻金龙,夏超英,蔡奔.基于Infineon XC2785的电池管理系统采集单元设计[J].仪表技术与传感器,2014(7):24-27.

[5] 陈海,陈宇珂,潘泽森,等.基于实时操作系统的ATmega128串行通信驱动程序设计[J].中国医学装备,2016,13(11):98-102.

[6] 朱超.uCOS-Ⅲ在北斗车载一体机终端中的应用[J].信息通信,2016(10):9-10.

(责任编辑高嵩)

Design and Implementation of Battery Array Monitor System of Cell Phones Based on uCOS

JiYuzhong1，WuHongxia2*，DengBinwei1,2

(1Optics Valley Beidou International School,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

To accurately obtaining the status of each battery pack,the battery array monitor system was designed by taking LTC6802 chip with more-batteries-gather as the basis and SPI,STM32 as the core hardware,uCOS as the core software and Bluetooth as the communication module.The monitoring of the voltage and temperature of 12 set of battery pack 18650 was realized and the real-time transmission of information and data was made to the LCD screen and APP of cell phones,which provided convenience for the monitoring and management of battery pack.Keywords：battery pack;LTC6802;STM32 micro-controller;bluetooth;uCOS

2017-03-15

湖北理工学院大学生科技创新项目(项目编号：16cx13)；湖北省省级教学研究项目(项目编号：2016411)；湖北理工学院校级重点科研项目(项目编号：16xjz04A)。

纪宇中，本科生。

*通讯作者：吴鸿霞，教授，硕士，研究方向：自动化。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.04.003

TM93

：A

：2095-4565(2017)04-0009-03