電源控制板軟件設計

電源控制板軟件設計

1 功能需求分析

電源控制板主要功能是控制電路輸出多路28V電源，在控制的同時能夠實時監測個電源輸出的電流大小，在電流過大時能夠及時切斷，並且反饋給主機。核心控制器是STM32F429單片機，該模塊與主機之間的通信採用RS422串口。根據電路分析可以知道其需要配置功能有：3路離散量輸出、5路電源控制輸出、1路RS422通信串口、1路RS232調試串口、5路電流傳感器實時監測採集、一路LED燈。

3路離散量輸出通過STM32的3個IO口驅動相應電路中光耦的通斷；

5路電源控制輸出通過STM32的5個IO口驅動相應電路中光耦的通斷；

1路LED燈通過STM32的1個IO口驅動；

1路RS422通道通過STM32的USART1實現；

5路電流傳感器使用STM32的5路SPI與電流傳感器進行數據採集；

整體框架如圖1.1所示。

圖1.1 電源控制板構成

2 管腳分配

1，IO口輸出引腳分配：

管腳功能	通道號	管腳號	高低電平含義
IO口驅動使能引腳	驅動使能引腳	PG0	低電平使能
離散量輸出	28V_0	PF11	低電平輸出/高電平斷開
	28V_1	PF12
	28V_2	PF13
電源控制輸出	Contrl_28V_1	PG1	低電平輸出/高電平斷開
	Contrl_28V_2	PG2
	Contrl_28V_3	PG3
	Contrl_28V_4	PG4
	Contrl_28V_5	PG5
LED燈控制引腳	LED_OUT	PI5	低電平亮/高電平滅

2，串口IO引腳分配

管腳功能	通道號	管腳號	高低電平含義
RS422串口	串口的RX0	PA10
	串口的TX0	PA9
RS232串口	串口的RX0	PA3
	串口的TX0	PA2

3，SPI的IO引腳分配：

管腳功能	通道號	管腳號	高低電平含義
第一路SPI	Spi1_sclk	PA5	Spi複用
	Spi1_miso	PA6
	Spi1_mosi	PA7
	Spi1_nss	PA4
第二路SPI	Spi2_sclk	PI1	Spi複用
	Spi2_miso	PI2
	Spi2_mosi	PI3
	Spi2_nss	PI0
第三路SPI	Spi6_sclk	PG13	Spi複用
	Spi6_miso	PG12
	Spi6_mosi	PG14
	Spi6_nss	PG8
第四路SPI	Spi4_sclk	PE2	Spi複用
	Spi4_miso	PE5
	Spi4_mosi	PE6
	Spi4_nss	PE4
第五路SPI	Spi5_sclk	PH6	Spi複用
	Spi5_miso	PH7
	Spi5_mosi	PF9
	Spi5_nss	PH5

3 設計流程

流程中需要設計的模塊主要是三個部分：IO口驅動模塊，串口驅動模塊，SPI驅動模塊。離散量的輸出、電源控制輸出、LED燈都是由IO口驅動完成；與主機的通信接口由串口USART1完成；5路電流傳感器的數值通過5路SPI完成採集。

3.1 IO口驅動

3路離散量輸出和5路電源控制輸出由STM32的IO口連接驅動芯片74LVC244APW，然後去驅動開關電路，使得後端電路完成對應的輸出或斷開工作。LED燈直接由STM32的IO口輸出驅動。

GPIO操作流程：

1. 使能PG與PF以及PI這三組GPIO口的時鐘；
2. 初始化相關IO爲輸出（PG0- PG5；PF11- PF13；PI5）；
3. 將PG0設置爲低電平，使能驅動芯片74LVC244APW工作；
4. 根據接收到的命令操作相關IO口去驅動電源輸出或者離散量輸出，若是接收到輸出第一路電源命令則將PG1設置爲低電平；

操作流程圖如圖3.1所示。

圖3.1 IO操作流程

3.2 串口驅動

1路RS422串口用來與主機通信，主機通過這1路串口發送離散量輸出指令、電源控制輸出指令以及獲取電流傳感器數據指令。若是收到離散量輸出指令，那麼STM32解析到相關指令會調用IO驅動函數輸出對應通道的離散量；若是收到電源控制指令，那麼STM32解析到相關指令會調用IO驅動函數輸出對應通道的電源輸出；若是收到主機獲取電流傳感器數據指令，那麼STM32解析到相關指令後會調用SPI驅動函數採集對應通道的電流傳感器的數據，然後通過RS422串口將此數據回傳給主機。

RS422驅動配置流程：

1. 使能RS422串口的時鐘，使能RS422的GPIO口的時鐘；
2. 初始化RS422串口的GPIO口爲串口功能IO口；
3. 配置USART1的串口中斷組優先級；
4. 配置USART1的串口波特率、配置全雙工模式、配置校驗位、配置停止位、配置數據位等屬性；
5. 使能USART1的接收中斷；
6. 使能USART1的串口功能；
7. 在串口接收中斷中將數據緩存到隊列FIFO中；

RS422串口驅動配置流程圖如圖3.2所示。

圖3.2 RS422驅動配置流程

422與主機之間的通信協議有三個，一個是離散量輸出指令；一個是電源控制輸出指令；還有一個是電流傳感器回傳指令。

1. 離散量輸出指令協議如表3.1所示：

字節號	類型	內容	備註
0、1	幀頭	6E6E
2	字節數	0x10	整幀字節數
3	交互類型	0x22
4	通道1	unsigned char	0x01表示高，0x00表示低
5	通道2	┇	┇
6	通道3	unsigned char
7	備份	┇	┇
8	備份	unsigned char
9	備份	┇	┇
10	備份	unsigned char
11	備份	┇	┇
12	備份	unsigned char
13	備份	┇	┇
14	備份	unsigned char
15	校驗和		對校驗和前所有字節求和，取低8位

2，電源控制輸出指令協議如表3.2所示：

字節號	類型	內容	備註
0、1	幀頭	6E6E
2	字節數	0x10	整幀字節數
3	交互類型	0x33
4	通道1	unsigned char	0x01表示高，0x00表示低
5	通道2	┇	┇
6	通道3	unsigned char
7	通道4	┇	┇
8	通道5	unsigned char
9	備份	┇	┇
10	備份	unsigned char
11	備份	┇	┇
12	備份	unsigned char
13	備份	┇	┇
14	備份	unsigned char
15	校驗和		對校驗和前所有字節求和，取低8位

3，回傳電流傳感器指令協議如表3.3所示：

字節號	類型	內容	備註
0、1	幀頭	6E6E
2	字節數	0x10	整幀字節數
3	交互類型	0x44/0x45	0x44表示下發指令（數據爲0）0x45表示返回數據
4	狀態位	unsigned char	0x01表示已切斷電源，0x00表示正常
5	數據1（L）	unsigned char
6	數據1（H）	┇	┇
7	數據2（L）	unsigned char
8	數據2（H）	┇	┇
9	數據3（L）	unsigned char
10	數據3（H）	┇	┇
11	數據4（L）	unsigned char
12	數據4（H）	┇	┇
13	數據5（L）	unsigned char
14	數據5（H）	┇	┇
15	校驗和		對校驗和前所有字節求和，取低8位

由於STM32的串口沒有FIFO，沒一次中斷只能接收一個字節數據，因而需要人爲去創建一個FIFO去緩存接收到的數據，在本次設計中採用隊列的形式作爲串口的接收FIFO，若有中斷產生，則將數據寄存器中的數據入隊，在主流程中每隔5ms去讀空一次隊列，完成數據的接收。在串口接收到這些指令的時候需要做數據解包操作。解包流程如下：

1. 建立一個大緩存，大小能容納10幀數據以上，用該緩存去接收串口數據，用於做前一幀數據與後一幀數據的拼接；
2. 尋找同步頭，若是找到了同步頭則剔除掉同步頭前面的無效數據；若是沒有找到同步頭則保留當前數據在緩存中；
3. 找到同步頭後判斷大緩存中數據數量是否超過一幀數據的數據量，若是超過了一幀數據的數據量，則進行校驗和的計算；若是沒有超過一幀數據的數據量，則保留當前數據在緩存中；
4. 若校驗和正確，則找到一幀有效數據，根據協議執行上位機發送的對應指令；若校驗和錯誤，則沒有找到有效的數據，則刪除找到的同步頭；
5. 進行數據解析，若交互類型爲0x22則執行離散量的輸出；若交互類型爲0x33則執行電源輸出；若交互類型爲0x44則回傳電流傳感器的數據給主機；
6. 處理完一幀數據後，將該幀數據從大緩存中刪除，進行下一次數據的解析，解析到數據小於一幀數據的大小；
7. 輪詢進行3、4、5、6的操作，將當前所有的有效數據都解析出來，並進行相應的指令的執行；

數據解析流程圖如圖3.3所示。

圖3.3 數據解析流程圖

3.3 SPI驅動

5路SPI通信用來採集電流傳感器的值，通過STM32內部的SPI接口去讀取電流傳感器TLI4970-D025T4的數值。

TLI4970-D025T4特性如下：

1. TLI4970-D025T4電流傳感器的測量範圍是-25A—25A；
2. 輸出的數據是16bit數據（其中低13bit是電流數據）；
3. 計算電流的公式  ；
4. TLI4970-D025T4與主控制器連接爲一個3-pin的SPI接口（sclk、cs、miso）；
5. 數據幀主要有兩種，當最高位爲0時，表示傳輸的是當前測量的電流數據；當最高位爲1時，表示傳輸的是當前電流傳感器的狀態值（一般發生錯誤的時候會傳輸狀態數據）；數據幀格式如圖3.4與3.5所示。

圖3.4 電流數據幀格式

圖3.5 電流傳感器狀態值幀格式

1. 其最高支持的SPI時鐘頻率爲5MHz，其時序如圖3.6所示，其時鐘在空閒時爲低電平，數據採樣發生在時鐘的第二個邊沿；

圖3.6 電流傳感器SPI時序圖

由STM32的SPI1、SPI2、SPI6、SPI4、SPI5這五路SPI控制器做主設備去去讀取電流傳感器的數據，SPI驅動的配置流程如下：

1. 使能SPI的時鐘並且使能SPI的GPIO口的時鐘；
2. 初始化SPI對應IO爲SPI功能IO口；
3. 將5路SPI的片選線全部拉高，保證初始化後沒有片選；
4. 初始化配置SPI的屬性，時鐘頻率：90/64=1.4MHz；工作模式：時鐘空閒時爲低電平，在時鐘的第二個邊沿採樣數據；數據傳輸模式：16bit，高位在前低位在後；傳輸方向：全雙工模式的主設備模式；
5. 使能5路SPI外設功能；每隔5ms更新一次數據buffer和狀態buffer；
6. 每隔5ms去判斷一次電流傳感器數據buffer中的數值是否大於最大的閾值數（15A），如果大於閾值，那麼通過電源控制切斷對應的那一路電源，並且更新回傳電流傳感器協議中的狀態位信息；如果小於閾值，那麼保留狀態位信息。

SPI驅動配置流程如圖3.7所示。

圖3.7 SPI驅動配置流程

3.4 定時器驅動

板子運行需要有時間基準，解析接收串口指令需要進行週期性操作，需要時間基準，更新電流傳感器的數據需要時間基準，本系統解析串口指令的週期定爲20ms一次；更新電流傳感器的數據的週期定爲5ms一次；判斷電流傳感器數值是否大於閾值的操作週期定爲5ms一次。保證整個流程能夠週期性的運行。定時器驅動配置流程如下：

1. 配置定時器驅動組優先級；
2. 使能定時器驅動的時鐘；
3. 配置定時器分頻係數：定時器時鐘源clk = 2 * pclk1 TIMCLK = 180M / 2 = 90M 定時器頻率 = TIMCLK / (TIM_Prescaler + 1) 1M = 90 / (90 - 1)；
4. 配置定時週期數；
5. 使能定時器中斷和定時器外設；
6. 定時器中斷中設置定時標識，每次觸發中斷將定時標識置1；

定時器驅動配置流程如圖3.8所示：

      

圖3.8 定時器驅動配置流程