朱浩 夏范昌 吉祥 杜勇志 江银锋 鄂加强 邓元望

（1.湖南大学；2.湖南宏迅亿安新能源科技有限公司）

1.1.4 低功耗蓝牙主从机电路板

低功耗蓝牙模块采用美国某公司的CC2541 芯片，如图5 所示。该芯片遵循V4.0 BLE 蓝牙协议规范，配置空间为256 KB，支持AT 指令，用户可根据需要对串口波特率、配对密码、设备名称等参数进行设置，使用灵活。另外，模块支持UART 接口，具有成本低、体积小、功耗低及收发灵敏度高等优点[10]。通过DC/DC 转换电路将输入的5 V 直流电压转换为3.3 V 直流电压，给蓝牙4.0 主从机供电，工作频率为2.4 GHz，自动休眠，待机电流为400～1.5 mA，传输时电流为8.5 mA。

图5 蓝牙4.0 主从机电路原理截图

低功耗蓝牙模块的27 脚（P0_7）是软/硬件主从设置选择口。如果此口置低（或悬空），则为硬件设置主从模式，如果置3.3 V 高电平，则为软件设置主从模式。低功耗蓝牙主从机选择软件设置主从方式，此口接3.3 V 电源。通过28 脚设置实现主从模式；如果选择软件主从模式，可以通过AT 命令查询和设置，所以本低功耗蓝牙主从机采用AT 指令设置主从模式。状态指示灯D2 接蓝牙4.0 模块的P1_2（24 脚），用于指示其所处状态。慢速闪烁表示搜索及连接中，长亮表示已经建立连接。

1.1.5 智能车整车控制器电路板

智能车整车控制器采用某公司的16位单片机MC9S12XS128MAA。该芯片的最小系统，如图6 所示。在该芯片最小系统中，芯片起振采用接在33 引脚（EXTAL）和34 引脚（XTAL）的16 MHz 的无源晶振Y1；电源使用5 V 直流电供给电源77 引脚（VDDX1）、29 引脚（VDDX2）和31 引脚（VDDR）；复位为接30 引脚的按钮PB1 控制的低电平复位。

图6 MC9S12XS128MAA 芯片最小系统电路原理截图

智能车的车速信号通过EA62- CS3C 欧姆龙编码器的200 线进行采集，信号经PT7 引脚输入单片机MC9S12XS128MAA 的定时器模块，经过脉冲累加功能进行车速信号计算的前期处理。智能车转向机构采用舵机与连杆机构，舵机作为原动机，连杆机构作为从动件。舵机与连杆机构控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。在内部设计一个基准电路，产生的基准信号周期约为20 ms，宽度为0.5～2.5 ms，然后比较直流偏置电压与电位器的电压，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片，决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。通过PWM信号占空比的改变控制舵机的位置变化。

CAN 总线采用MC9S12XS128MAA 芯片内部集成的MSCAN 模块，符合CAN2.0A 和CAN2.0B 通信协议要求，采用某公司的TJA1050 作为CAN 总线收发器。CAN 总线系统，如图7 所示。CANTX 和CANRX 分别接MC9S12XS128MAA 芯片的74 引脚和75 引脚，经过TJA1050 后，转换为CAN 总线的CANH 和CANL，然后接双绞线进行CAN 通信[11]。

图7 CAN 总线系统框图

1.2 监测系统程序设计

程序设计主要包括锂电池充放电板程序、锂电池温度采集板程序、蓝牙4.0 主从机配对指令和智能车整车控制器程序三部分。程序通过C 语言进行编写后，利用串口或BDM下载器进行程序烧录，然后进行硬件测试。

1.2.1 锂电池充放电板程序设计

锂电池充放电程序框图设计，如图8 所示。LTC2943 锂电池监测程序主要通过I2C总线获取锂电池的实时状态信息，I2C 总线通信的程序主要包括启动I2C总线、停止I2C总线、响应、读/写一个字节及I2C总线时钟。通过对相应地址的寄存器进行读取/写入操作，实现对锂电池电压、电流、温度及电量的实时监测。首先，实现STC89C52RC 单片机和LTC2943 芯片的I2C总线通信，通过STC89C52RC 单片机向LTC2943 芯片写入所需访问的寄存器地址，然后返回原始的锂电池状态数据；通过STC89C52RC 对数据的转换和运算后，得到可以直接显示的锂电池电压、电流、温度及电量，再通过电脑软件或LCD12864 液晶显示器实时显示。

图8 锂电池充放电程序流程图

1.2.2 锂电池温度采集板程序设计

3 个DS18B20 温度传感器单线、总线温度监测程序的流程图，如图9 所示。主要使用的协议命令有33h（读ROM），44h（温度转换），55h（ROM 匹配）、BEh（读暂存器）。流程图分两部分，首先读取3 个DS18B20 的64位光刻ROM地址，然后进行温度传感器单线、总线的编程，通过单线、总线实现3 个DS18B20 温度传感器测量单体锂电池多部位温度的目的。其中DS18B20 的ROM地址通过串口助手输出8 个字节。

图9 温度传感器的温度监测程序流程图

1.2.3 智能车整车控制器程序设计

智能车整车控制器程序流程，如图10 所示。程序先进行锁相环倍频后，分频给各功能模块，包括脉宽调制模块PWM、定时器模块PIT、串口通信模块SCI 等。电机和舵机驱动都采用PWM信号，但PWM 信号频率不同。对于电机，通过对PWM信号的占空比的控制，改变流过电机电流的大小，进而改变电机的转速，最终达到控制智能车车速的目的。对于舵机，通过对PWM信号占空比的控制，改变舵机的输出转角，实现控制智能车转向角的目的。

图10 智能车整车控制器程序流程图

1.3 监测系统软件设计

通过LabVIEW 设计了与硬件相匹配的软件及安装包，系统软件包括串口通信模块、数据处理模块和显示与报警模块。串口通信模块的作用是从智能车上获取其状态原始数据，经数据处理模块后得到所需的显示结果，通过显示与报警模块进行结果显示与报警，并返回字符串给智能车，实现了对智能车状态的实时监测，包括智能车车速和转向角数据处理与显示、车载锂电池信息（电压、电流、温度、电量）数据的处理与显示。

2 实例应用

2.1 智能车整车控制器的测试

本系统通过CodeWarrior 5.1 软件进行编译和测试，测试智能车整车控制器能否对输出PWM 控制电机和舵机，以实现智能车的基本行驶功能。通过1 块1.3英寸（3.3 cm）的12864 液晶显示屏和2 个四位数码管显示，内容包括编码器15 ms 产生的脉冲数、舵机的PWM占空比。测试结果，如图11 所示。

图11 整车控制器调试电脑串口测试结果显示界面

图11 显示结果为智能车正常行驶时，串口助手接收到的6位字符串数据。从图11 可以看出，其中第1位是舵机PWM 占空比，第2～6位是编码器产生的脉冲数。编码器产生的脉冲数不断变化，说明智能车车速在改变，且数值越大、车速越高；智能车整车控制器实现了PWM信号的输出，说明智能车能完成基本行驶功能。

2.2 低功耗蓝牙无线通信测试

低功耗蓝牙无线通信利用串口助手配置蓝牙4.0主从机的配对密码、波特率、主从模式等，然后把蓝牙4.0 从机连接到智能车锂电池温度采集板的蓝牙接口上，接通电源等待蓝牙4.0 主机搜索与连接，实现主从机连接；连接完成后，串口助手开始显示锂电池温度采集板的监测结果。显示的结果，如图12 所示。

图12 无线监测锂电池温度数据显示界面

2.3 智能车监测系统软硬件综合调试

文章开发使用的是LabVIEW 2013，该版本支持WIN7 系统、软件安装包自动生成等功能，编写的软件具有移植性好、安装简单、界面美观、人机交互性好等优点。可通过软件安装包在其它电脑上安装，方便用于未装LabVIEW 软件的电脑使用。图13 示出智能车状态监测系统的完整硬件。

图13 智能车监测系统完整硬件示意图

从图13 可知，智能车监测系统硬件包括电路设计的全部电路板，并通过杜邦线等进行了电气连接，然后，将其安装到某B 型车上，主要是电机、舵机、编码器及锂电池的电气连接，还有硬件与车体的六角铜柱机械连接，最终形成一个完整的智能车状态监测系统。

图14 示出本系统的软件界面。在系统软件安装完且保证其硬件供电正常条件下，打开并选择相应的硬件COM口，就可实现智能车状态的监测。软件显示有2 个温度监测，分别标有温度和DS18B20 字样。其中标温度的显示模块为LTC2943 芯片内部集成的温度传感器，用于监测放电板的温度；标DS18B20 的显示模块循环显示锂电池前侧、上侧和右侧的温度，用于监测单体锂电池的温度。本系统软件实现了锂电池的电压、电流、温度及电量值的实时监测显示，还能对高于或低于设定阈值的某1 项或几项进行报警，即点亮对应报警按钮。另外，软件还可实时绘制电压和电流的时间变化曲线图，方便以后对锂电池进行SOC 估算。此智能车监测系统软硬件的正常运行，实现了监测功能。

图14 智能车监测系统显示的软件显示界面

3 结论

基于蓝牙4.0 和某大赛B 型车，以优化纯电动车实时监测系统的线束和控制为目的，设计了低功耗蓝牙电动车智能监测系统，包括硬件电路设计、程序设计、软件设计及软件测试。以C 语言的定时器中断方式设计了驱动程序，用LabVIEW 生成了界面可视化的软件。实测样机表明本系统软件实现了锂电池的电压、电流、温度和电量值的实时监测显示，还能对高于或低于设定阈值的某1 项或几项进行报警，智能车监测系统软硬件正常运行，实现了监测功能，证明该设计可行。

（续完）