基于單片機(jī)和EPM7128SLC84-15芯片實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　作者：楊存祥;戈民;王發(fā)群;崔光照;宋鏡波

電動(dòng)車由于具有無廢氣污染、無噪音、輕便美觀等特點(diǎn)，受到眾多使用者的青睞。但使用中也暴露出它的局限性，那就是蓄電池的容量決定了它的使用范圍，而且存在充電時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。目前隨著電動(dòng)自行車的發(fā)展，急需解決的問題就是如何實(shí)現(xiàn)快速靈活的充電。

隨著電子技術(shù)、可編程邏輯器件（FPGA，CPLD）、EDA技術(shù)的飛速發(fā)展，基于硬件編程語言的自上而下（TOP-TO-DOWN）設(shè)計(jì)方法給數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)帶來了革命性變革，僅使用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的傳統(tǒng)方法正在被越來越多的以MCU+FPGA/CPLD為核心的最新設(shè)計(jì)理念取代。采用這種混合設(shè)計(jì)方案的最大優(yōu)點(diǎn)是兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這給數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來極大的方便。利用CPLD控制的靈活性很容易對(duì)電路進(jìn)行在線修改，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的數(shù)字邏輯控制，這極大地?cái)U(kuò)展了單片機(jī)的功能。而且由于硬件編程語言的靈活性及CPLD具有的在系統(tǒng)編程（In-SystemProgram）特點(diǎn)，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)研制周期?；谏鲜鏊枷?，研發(fā)了基于SPCE061A和CPLD的電動(dòng)自行車充電系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及功能

該充電系統(tǒng)由凌陽SPCE061A單片機(jī)、充電器、按鍵、CPLD、ACM12864液晶顯示器、上位機(jī)、語音電路等組成。充電器采用恒流、恒壓、浮充三階段充電方法對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。SPCE061A單片機(jī)控制六個(gè)充電器對(duì)六個(gè)蓄電池同時(shí)進(jìn)行充電，同時(shí)檢測(cè)各個(gè)充電器的恒流、恒壓、浮充三個(gè)充電狀態(tài)，并通過ACM12864液晶顯示器顯示各充電器的工作狀態(tài)。通過按鍵選擇各充電器的工作與停止，并可根據(jù)不同需要選擇快速充電工作方式或普通充電工作方式，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。系統(tǒng)上電進(jìn)入工作狀態(tài)后，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到蓄電池已充滿的信號(hào)或發(fā)生其他緊急情況所產(chǎn)生的信號(hào)時(shí)，可以自動(dòng)關(guān)閉充電器，實(shí)現(xiàn)充電器操作智能化。利用凌陽SPCE061A單片機(jī)的語音功能對(duì)充電過程中所出現(xiàn)的故障進(jìn)行語音提示，使設(shè)計(jì)更人性化，便于操作。充電系統(tǒng)可以和上位機(jī)進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)，有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.2 液晶顯示電路的設(shè)計(jì)

顯示部分采用ACM12864C液晶顯示器，該模塊價(jià)格低。控制器為KS0107和KS0108，工作溫度范圍：0℃“50℃，儲(chǔ)存溫度范圍：-20℃”70℃，自帶負(fù)電壓發(fā)生電路，單+5V供電，帶背光，可與各種微處理器直接接口，數(shù)據(jù)讀寫操作不受外部時(shí)鐘控制，不帶漢字庫(kù)，占空比為1/64，外部共有20條引腳來進(jìn)行外部接口。ACM12864C能夠充分滿足漢字顯示的要求。通過必要的程序設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)在充電過程中通過對(duì)充電器恒流、恒壓、浮充等信號(hào)的采集，在ACM12864液晶顯示器上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示電池狀態(tài)。SPCE061A與ACM12864的接口如圖2所示。

1.3 鍵盤電路及I/O電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用CPLD作為SPCE061A單片機(jī)和充電器的接口部分，實(shí)現(xiàn)I/O口擴(kuò)展，并完成鍵盤掃描功能。CPLD的使用，取代了一些專用集成電路，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的集成度。本系統(tǒng)采用硬件電路來完成對(duì)鍵盤的掃描工作，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，CPLD內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生改變。按鍵彈起后，內(nèi)部狀態(tài)經(jīng)CPLD自動(dòng)處理轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的鍵值被送到輸出端口，供單片機(jī)掃描時(shí)取走鍵值。相對(duì)于軟件判別鍵盤工作狀態(tài)，這樣不僅節(jié)省了SPCE061A的存儲(chǔ)空間，還極大地提高了系統(tǒng)的工作速度，更好地實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性。

CPLD選用ALTERA公司生產(chǎn)的MAX7000S 系列中的EPM7128SLC84-15。該芯片共有84個(gè)引腳，采用EEPROM技術(shù)制作；內(nèi)含2 500個(gè)邏輯門，128個(gè)宏單元，時(shí)鐘工作頻率可達(dá)151.5MHz。通過CPLD對(duì)資源的整合，實(shí)現(xiàn)了用一片CPLD實(shí)現(xiàn)I/O電路、硬件掃描判別等，優(yōu)化了硬件的布局。如需改變系統(tǒng)的功能，只需改變相應(yīng)的源代碼而不是硬件結(jié)構(gòu)，因而具有很大的靈活性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分采用C語言和匯編語言混合編制而成，因而該程序具有功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)完備等特點(diǎn)。主程序主要完成如下功能：

（1）系統(tǒng)初始化和參數(shù)的設(shè)置；

（2）充電器三種工作狀態(tài)的檢測(cè)和顯示；

（3）控制各個(gè)充電器的工作和停止以及快速充電和普通充電兩種充電方式的選擇；

（4）蓄電池正反極性的判斷，極性接反時(shí)自動(dòng)進(jìn)行語音報(bào)警；

（5）充電器充滿蓄電池時(shí)自動(dòng)關(guān)閉充電器；出現(xiàn)異常情況時(shí)自動(dòng)進(jìn)行語音報(bào)警；

（6）對(duì)快速充電時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行設(shè)定。

系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

2.2 語音播放程序設(shè)計(jì)

SPCE061A的D/A轉(zhuǎn)換通道的硬件實(shí)現(xiàn)大致有兩種方式，一種是直接采用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC方式，另一種是采用脈寬調(diào)制PWM驅(qū)動(dòng)方式。SPCE061A音頻輸出的結(jié)構(gòu)就是由兩個(gè)DAC通道或一個(gè)PWM驅(qū)動(dòng)通道構(gòu)成。這兩種實(shí)現(xiàn)方式實(shí)質(zhì)都為數(shù)/模轉(zhuǎn)換，都是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流模擬信號(hào)輸出。SPCE061A的音頻輸出采用雙通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換方式，即數(shù)字信號(hào)通過10位DAC轉(zhuǎn)換成3mA驅(qū)動(dòng)的電流模擬信號(hào)輸出。語音提示輸出直接采用DAC通道，經(jīng)信號(hào)放大后，由揚(yáng)聲器輸出。語音播放流程圖如圖4所示。

程序編寫如下：

#INCLUDE “hardware.h”

# INCLUDE “S480.h”

Void Sound （unsigned int i）

{

SACM_S480_Initial（1）;

SACM_S480_Volume（10）;

SACM_S480_Play（i，1，0）;

while（SACM_S480_Status（）&0x0001）;

{

SACM_S480_ServiceLoop（）;

}

SACM_S480_Stop（）;

}

2.3 CPLD程序設(shè)計(jì)

VerilogHDL語言是硬件描述語言，是描述硬件電路的功能、信號(hào)連接關(guān)系及定時(shí)關(guān)系的語言，通過語言編程來表示邏輯器件及系統(tǒng)的功能和行為。其具有設(shè)計(jì)技術(shù)齊全、方法靈活、支持廣泛、硬件描述能力強(qiáng)、與器件工藝無關(guān)、易于共享和復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)。與VHDL相比，VerilogHDL是一種非常容易掌握的硬件描述語言，而掌握VHDL設(shè)計(jì)技術(shù)就比較困難。故采用VerilogHDL語言來設(shè)計(jì)接口電路，能充分利用VerilogHDL語言在系統(tǒng)級(jí)硬件描述上的優(yōu)點(diǎn)。

CPLD實(shí)現(xiàn)兩個(gè)多路選擇器和一個(gè)鍵盤掃描電路功能。程序各端口功能如表1所示。datain1由datain1［0］。..。..datain1［17］ 18位輸入端口組成，分為6組，每組3個(gè)端口。rs由rs［0］、rs［1］、rs［2］3位端口組成，最多可以表示8個(gè)2進(jìn)制數(shù)（本設(shè)計(jì)用到其中的6個(gè)）來表示端口選擇位。dataout1由 dataout1［0］、dataout1［1］、dataout1［2］3位組成，表示輸出端口。datain1、dataout1、rs組成一個(gè)多路選擇器，實(shí)現(xiàn)選擇輸入功能，rs的值決定選擇datain1的哪一組信號(hào)送給dataout1，由dataout1輸出。datain2由datain2［0］、 datain2［1］組成，表示輸入端口。dataout2由dataout2［0］。..。..dataout2［11］12位輸出端口組成，分成6組，每組2位。同理，datain2、 dataout2、rs組成另一個(gè)多路選擇器，實(shí)現(xiàn)選擇輸出功能，rs的值決定選擇datain2的2位信號(hào)從dataout2的哪一組輸出。rt為控制脈沖，當(dāng)為上升沿時(shí)實(shí)現(xiàn)選擇輸入功能，當(dāng)為下降沿時(shí)實(shí)現(xiàn)選擇輸出功能。datain3為16位按鍵輸入口（低電平有效），每位代表一個(gè)按鍵。dataout3為4位按鍵值輸出端口，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，經(jīng)CPLD內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生改變，按鍵彈起后，內(nèi)部狀態(tài)經(jīng)CPLD自動(dòng)處理轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的鍵值從dataout3輸出（高電平有效）。如當(dāng)datain3位為1111111111111101時(shí)，表示2號(hào)鍵按下，dataout3將輸出0010，表示按鍵值為2。

3 CPLD仿真

從最初的電路設(shè)計(jì)思想到QuartusII的波形仿真、再到CPLD的芯片編程結(jié)束，開發(fā)設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

在QuartusII 平臺(tái)上，對(duì)VerilogHDL程序編譯后，用Simulator對(duì)之進(jìn)行時(shí)序仿真，得到如圖6所示的結(jié)果。

由圖中可以看到各預(yù)定功能都得到了實(shí)現(xiàn)，如datain3為111111011111時(shí)，dataout3輸出為0110，仿真結(jié)果完全符合電路的要求。

基于SPCE061A+CPLD設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車充電系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，提高了電路的穩(wěn)定性和可靠性；使系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、開發(fā)周期短、集成性更強(qiáng)，同時(shí)使系統(tǒng)易于升級(jí)和擴(kuò)展。經(jīng)檢驗(yàn)測(cè)試，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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