《武汉工程大学学报》 2011年12期
89-93
出版日期：2011-12-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于LTC4151的汽车过载监控电源接口设计
0引言随着人们工作、生活节奏的加快和消费水平的提高，家用汽车已逐步普及，并取代自行车、摩托车、电动车,成为最主要的代步和交通工具，同时也引起了人们生活方式的改变.传统的家庭多媒体影音娱乐设施、GPS导航等车用辅助电器、甚至包括车用冰箱等大功率设备都被装配到了汽车上.据相关统计，随着汽车电子和电气附件的增加，车载附件所产生的功耗呈逐年上升之势，汽车电子和电器设备正以平均每辆车每年超过110 W的速度递增［1］.汽车系统的供电电源包括蓄电池和汽车发电机，而且很多车用电器还是在发动机没启动的情况下主要依靠蓄电池供电的.车载附件的功耗增加，势必会引起过载故障频发.这种不确定的电压下跌或浪涌现象，有可能会影响到电动助力系统（EPS）等汽车核心电气设备的供电，从而导致更为严重的行车安全事故.为了保证汽车的安全运行，就有必要对其扩展的用电附件的功耗进行监视，因此，对于基于汽车电源接口供电的车载电器的功耗监视就有着很重要的现实意义.汽车车载电器的过度增加会对汽车电源系统带来不确定的危害，对车载电器的功率监控十分必要.但电压高瞬变、宽范围波动的汽车供电特点增加了对电源输出功率的监测难度.汽车系统一般采用12 V或24 V供电.汽车系统供电的一个明显特点就是电压的波动幅度比较大.家用小汽车一般用电压是12 V，其正常工作电压指标为10.5~14.8 V，实际波动电压会在9~16 V区间；大型汽车一般用电压为24 V，其正常工作电压指标为20~29 V，实际电压范围在18~30 V区间.如果用测量电源接口输出电流的简易方法（这种方法假定供电电压基本不变）来检测汽车电器的功耗，显然达不到检测目的，因此，要准确测量该系统的功率，必须同时测量出某一时刻的电压和电流.但这样对电流和电压就需要设计相应的传感器信号电路，还要考虑电压宽范围的波动因素，硬件设计变得复杂.设计中采用了适用宽电压（7 V至80 V）输入的、能同时在线测量电压和电流的专用功率检测芯片LTC4151作为功率监控的主要部件，有效的解决了汽车这种高瞬变环境中的电源功率检测，简化了相应的电压和电流检测电路的设计，硬件电路简洁、可靠.1电源埠的硬件设计该项设计为小型汽车+12 V的电源扩展接口.从汽车的+12 V供电母线上，扩展出3路带功率检测的电源接口（接口端子为JP1～JP3）.扩展接口带有一个显示文字信息的小块LCD液晶显示屏、指示各自接口O状态的三个红/绿双色LED，以及一个对报警功率门限值进行调整的按键.系统的硬件电路原理如图1所示.图1电源埠硬件原理图
Fig.1The hardware schematic of power socket第12期刘礼华，等：基于LTC4151的汽车过载监控电源接口设计
武汉工程大学学报第33卷
汽车系统的+12 V母线分别连接到三个以LTC4151芯片为核心的功率检测单元，并通过0.005 Ω、2 W的电流检测电阻连接到接口的插座孔（JP1~JP3）上.车载电器插入到JP1~JP3中获取电源（实际使用中，用户可以在单个接口上并接多个车载电器）.单片机MCU及LCD、双色二极管LED0～LED3、蜂鸣器B0、按键S0、存储器AT24LC01构成系统的管理单元.+12 V转+3.3 V的稳压电源模块为MCU单片机、LCD液晶显示器等提供+3.3 V供电.1.1功率采集单元设计中采用了三片LTC4151分别对三路输出电源进行检测.如图1中的IC1～IC3.LTC4151是凌力尔特（Linear Technology）推出一款高压端功率监视器［2］，该芯片的内部结构及典型应用电路如图2所示.该产品可测量电流以及7 V至80 V之输入电压.LTC4151利用本身内部12位ADC，可连续测量高压端电流与输入电压，以提供一个真实的功率值.LTC4151的功率测量单芯片解决方案，适用于宽广输入范围下测量输入功率，非常适合于12 V或24 V的汽车电子行业或48 V电源系统的通讯电子行业应用.LTC4151的Vin既是电压输入引脚，也是芯片的供电电源引脚.SENSE+与SENSE脚之间为0.005 Ω、2 W的功率采样电阻，根据所带负载不同，此采样电阻两端的电压也会随之变化，其最大电压范围为81.92 mV.ADCIN引脚为第三个ADC采样输入，可采样范围为0~2.048 V，设计中此引脚没有用来采样电压，直接作接地处理.SHDN引脚为器件关闭使能引脚，低电平有效.该引脚在片内被上拉为6.3 V，使用中不能将器件关闭，因此将该引脚作悬空处理.图2LTC4151片内结构及典型应用电路
Fig.2LTC4151 chip structure and a typical application circuit数据通信是通过I2C来进行的，SDA为数据引脚，SCL为时钟引脚.在与MCU的通信中，LTC4151为从器件，MCU为主器件.LTC4151有9个设备地址可供选择，其地址由ADR1与ADR0两根地址引脚来决定.每个地址引脚有3种状态：高电平H、低电平L、悬空NC，当ADR1或ADR0引脚悬空NC为不确定状态时，被认为是一个地址状态，因此这两个引脚一共可解析为9种地址.TLC4151的地址解析如表1所示.MCU通过写入地址信息，才能与对应的LTC4151芯片通信.表1LTC4151器件地址设置
Table 1The setting of LTC4151 device address序号地址（十六进制）引脚ADR1引脚ADR00CEHL1D0NCH2D2HH3D4NCNC4D6NCL5D8LH6DAHNC7DCLNC8DELL功率采集单元与微控制器MCU的硬件接口电路如图1所示.图1中的硬件连接由三片LTC4151组成，其中（1）～（3）的地址依次为：DEH、CEH和D2H.输入电源Vin由汽车系统+12 V电源母线提供；电流采样电阻串联在负载工作的主回路上，LTC4151通过检测到采样电阻两端的电压，计算出负载上流过的电流，再与采样到的Vin相乘便可得出实时功率.再由MCU实时计算出三路功率输出总和.1.2系统管理单元系统的功率检测和附件过载判断由MCU微处理器P89LV51RD2单片机来管理.P89LV51RD2是NXP公司生产的一款增强型MCS51系列单片机，片内包含64 kB Flash和1 024字节的数据RAM，可在+3 V电源电压下工作，工作频率最高可达33 MHz.其典型特点是设计者可选择以传统的80C51时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或X2方式（每个机器周期包含6个时钟）的时钟频率运行.为了保存功率过载报警门限值等相关参数，扩展了1 kbit容量的I2C串行EEPROM器件AT24LC01，用P89LV51RD2单片机的I/O脚P2.0、P2.1模拟串行口对AT24LC01进行读写操作.LCM显示模块cog12864A为内嵌控制器ST7920的点阵式液晶显示屏.COG（Chip on Glass）显示模块将控制芯片直接绑定在显示玻璃基片上，这种安装方式可以大大减小LCD模块的体积.这种COG液晶显示模块以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用.该项设计中cog12864A模块，128×64点阵可显示4行16个字符，用来显示系统的三个接口端子JP1～JP3的实时功耗及总功耗信息，并提示汽车系统车载附件用电负荷超载状况.cog12864A和MCU以SPI串行总线相连，简化了硬件连线.LED0、LED1、LED2三个红/绿双色二极管，分别连接到MCU的P1.0～P1.5引脚.用来直观显示三个电源接口端子JP1~JP3的工作状态.如当接口端子JP1有电器负载接入，LED0发绿光常亮.若三路总负荷过载时，输出功率最大的一路LED指示灯发红光警示，告知用户从负荷最重的接口端子或其他工作的接口端子上移除外接的车载电器.采用连接到MCU I/O口P1.6的独立式按键S0作为总功率报警临界值设置.长按S0进入临界值P_alarm设置状态，随后每短按一次（间隔时间在1 s以内）调整一次临界值P_alarm，调整结束后间隔4 s以上再长按S0完成对临界值P_alarm的确认（间隔4 s以上短按S0则取消本次数据设置），并将确认的临界值P_alarm保存到扩展的串行EEPROM器件AT24LC01中.MCU通过I2C与LTC4151进行通信，从而读出电源接口的功率并计算总功率.同时，用户可以通过按键设置最大功率门限P_alarm.MCU将通过LTC4151测得的总功率与此功率门限P_alarm进行比较，当总功率超载时，三路输出中输出功率最大的一路的LED报警指示灯会呈红色点亮，同时LCD屏上会有详细负载功率信息显示.2系统软件设计系统软件采用C语言编写，并在keil环境中编译调试［3］.为实现接口的设计功能，在系统软件实现中，使用了一个定时器中断资源.使用P89LV51RD2的片内定时器timer0用作1 ms定时，并结合定时器中断，通过在定时器中断服务程序中重启下一个1 ms定时，来得到的1 ms的连续定时信号，并将此信号作为整个软件调度使用的全局时钟G_timer_1 ms.系统的主程序流程图如图3所示.在完成LCD显示屏、LED指示灯、定时器及中断等相关外设的初始化后，MCU进入反复运行空指令_nop_()的死循环状态.接口埠的监控管理实际上都在timer0定时器的1 ms中断服务程序中进行.接口的功率监测周期为500 ms.定时器timer0每进一次1 ms的定时器中断，全局变量G_timer_1 ms的值增加“1”.当G_timer_1 ms的值为500的整数倍时（间隔周期为500 ms）,调用一次事务处理子程序.在事务处理子程序EvProc_subr()中，完成对三路接口端子瞬时输出功率的测量、总输出功率计算、警戒功率比较、报警显示处理等监控任务.事务处理子程序流程图如图4所示.图3系统软件结构图
Fig.3The structure of system software图4事务处理子程序流程图
Fig.4The flow chart of transaction processing subroutineS0独立按键的键盘管理采用了“定时器中断计数”法［4］.在全局时钟G_timer_1 ms的驱动下，结合按键的即时状态并对中断次数计数来实现对按键长/短按识别、去抖动处理，从而实现总输出功率报警临界值P_alarm的设定和确认保存.在长按S0进入设置状态后，每短击一次S0，设置值可在预置的5个预设值当中循环切换，选择预设值之后，保持4 s以上时间不击键，再以长按S0的操作确认所选取的预设值作为总功率报警临界值P_alarm，该值同时会被保存到存储器AT24LC01中.3结语综上所述，LTC4151的采用，有效的解决了汽车供电电压高瞬变这种复杂环境下的电源监测问题，电压、电流信号可直接连接到芯片上进行测量，减少了硬件配置，使得硬件设计十分简洁.与采用分立组件和其它电源监视器的传统实施方法比较，在复杂性、功能或性能方面都有着很明显的优势.参考文献：