电源控制板软件设计

电源控制板软件设计

1 功能需求分析

电源控制板主要功能是控制电路输出多路28V电源，在控制的同时能够实时监测个电源输出的电流大小，在电流过大时能够及时切断，并且反馈给主机。核心控制器是STM32F429单片机，该模块与主机之间的通信采用RS422串口。根据电路分析可以知道其需要配置功能有：3路离散量输出、5路电源控制输出、1路RS422通信串口、1路RS232调试串口、5路电流传感器实时监测采集、一路LED灯。

3路离散量输出通过STM32的3个IO口驱动相应电路中光耦的通断；

5路电源控制输出通过STM32的5个IO口驱动相应电路中光耦的通断；

1路LED灯通过STM32的1个IO口驱动；

1路RS422通道通过STM32的USART1实现；

5路电流传感器使用STM32的5路SPI与电流传感器进行数据采集；

整体框架如图1.1所示。

图1.1 电源控制板构成

2 管脚分配

1，IO口输出引脚分配：

管脚功能	通道号	管脚号	高低电平含义
IO口驱动使能引脚	驱动使能引脚	PG0	低电平使能
离散量输出	28V_0	PF11	低电平输出/高电平断开
	28V_1	PF12
	28V_2	PF13
电源控制输出	Contrl_28V_1	PG1	低电平输出/高电平断开
	Contrl_28V_2	PG2
	Contrl_28V_3	PG3
	Contrl_28V_4	PG4
	Contrl_28V_5	PG5
LED灯控制引脚	LED_OUT	PI5	低电平亮/高电平灭

2，串口IO引脚分配

管脚功能	通道号	管脚号	高低电平含义
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引脚分配：

管脚功能	通道号	管脚号	高低电平含义
第一路SPI	Spi1_sclk	PA5	Spi复用
	Spi1_miso	PA6
	Spi1_mosi	PA7
	Spi1_nss	PA4
第二路SPI	Spi2_sclk	PI1	Spi复用
	Spi2_miso	PI2
	Spi2_mosi	PI3
	Spi2_nss	PI0
第三路SPI	Spi6_sclk	PG13	Spi复用
	Spi6_miso	PG12
	Spi6_mosi	PG14
	Spi6_nss	PG8
第四路SPI	Spi4_sclk	PE2	Spi复用
	Spi4_miso	PE5
	Spi4_mosi	PE6
	Spi4_nss	PE4
第五路SPI	Spi5_sclk	PH6	Spi复用
	Spi5_miso	PH7
	Spi5_mosi	PF9
	Spi5_nss	PH5

3 设计流程

流程中需要设计的模块主要是三个部分：IO口驱动模块，串口驱动模块，SPI驱动模块。离散量的输出、电源控制输出、LED灯都是由IO口驱动完成；与主机的通信接口由串口USART1完成；5路电流传感器的数值通过5路SPI完成采集。

3.1 IO口驱动

3路离散量输出和5路电源控制输出由STM32的IO口连接驱动芯片74LVC244APW，然后去驱动开关电路，使得后端电路完成对应的输出或断开工作。LED灯直接由STM32的IO口输出驱动。

GPIO操作流程：

1. 使能PG与PF以及PI这三组GPIO口的时钟；
2. 初始化相关IO为输出（PG0- PG5；PF11- PF13；PI5）；
3. 将PG0设置为低电平，使能驱动芯片74LVC244APW工作；
4. 根据接收到的命令操作相关IO口去驱动电源输出或者离散量输出，若是接收到输出第一路电源命令则将PG1设置为低电平；

操作流程图如图3.1所示。

图3.1 IO操作流程

3.2 串口驱动

1路RS422串口用来与主机通信，主机通过这1路串口发送离散量输出指令、电源控制输出指令以及获取电流传感器数据指令。若是收到离散量输出指令，那么STM32解析到相关指令会调用IO驱动函数输出对应通道的离散量；若是收到电源控制指令，那么STM32解析到相关指令会调用IO驱动函数输出对应通道的电源输出；若是收到主机获取电流传感器数据指令，那么STM32解析到相关指令后会调用SPI驱动函数采集对应通道的电流传感器的数据，然后通过RS422串口将此数据回传给主机。

RS422驱动配置流程：

1. 使能RS422串口的时钟，使能RS422的GPIO口的时钟；
2. 初始化RS422串口的GPIO口为串口功能IO口；
3. 配置USART1的串口中断组优先级；
4. 配置USART1的串口波特率、配置全双工模式、配置校验位、配置停止位、配置数据位等属性；
5. 使能USART1的接收中断；
6. 使能USART1的串口功能；
7. 在串口接收中断中将数据缓存到队列FIFO中；

RS422串口驱动配置流程图如图3.2所示。

图3.2 RS422驱动配置流程

422与主机之间的通信协议有三个，一个是离散量输出指令；一个是电源控制输出指令；还有一个是电流传感器回传指令。

1. 离散量输出指令协议如表3.1所示：

字节号	类型	内容	备注
0、1	帧头	6E6E
2	字节数	0x10	整帧字节数
3	交互类型	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	备份	┇	┇
8	备份	unsigned char
9	备份	┇	┇
10	备份	unsigned char
11	备份	┇	┇
12	备份	unsigned char
13	备份	┇	┇
14	备份	unsigned char
15	校验和		对校验和前所有字节求和，取低8位

2，电源控制输出指令协议如表3.2所示：

字节号	类型	内容	备注
0、1	帧头	6E6E
2	字节数	0x10	整帧字节数
3	交互类型	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	备份	┇	┇
10	备份	unsigned char
11	备份	┇	┇
12	备份	unsigned char
13	备份	┇	┇
14	备份	unsigned char
15	校验和		对校验和前所有字节求和，取低8位

3，回传电流传感器指令协议如表3.3所示：

字节号	类型	内容	备注
0、1	帧头	6E6E
2	字节数	0x10	整帧字节数
3	交互类型	0x44/0x45	0x44表示下发指令（数据为0）0x45表示返回数据
4	状态位	unsigned char	0x01表示已切断电源，0x00表示正常
5	数据1（L）	unsigned char
6	数据1（H）	┇	┇
7	数据2（L）	unsigned char
8	数据2（H）	┇	┇
9	数据3（L）	unsigned char
10	数据3（H）	┇	┇
11	数据4（L）	unsigned char
12	数据4（H）	┇	┇
13	数据5（L）	unsigned char
14	数据5（H）	┇	┇
15	校验和		对校验和前所有字节求和，取低8位

由于STM32的串口没有FIFO，没一次中断只能接收一个字节数据，因而需要人为去创建一个FIFO去缓存接收到的数据，在本次设计中采用队列的形式作为串口的接收FIFO，若有中断产生，则将数据寄存器中的数据入队，在主流程中每隔5ms去读空一次队列，完成数据的接收。在串口接收到这些指令的时候需要做数据解包操作。解包流程如下：

1. 建立一个大缓存，大小能容纳10帧数据以上，用该缓存去接收串口数据，用于做前一帧数据与后一帧数据的拼接；
2. 寻找同步头，若是找到了同步头则剔除掉同步头前面的无效数据；若是没有找到同步头则保留当前数据在缓存中；
3. 找到同步头后判断大缓存中数据数量是否超过一帧数据的数据量，若是超过了一帧数据的数据量，则进行校验和的计算；若是没有超过一帧数据的数据量，则保留当前数据在缓存中；
4. 若校验和正确，则找到一帧有效数据，根据协议执行上位机发送的对应指令；若校验和错误，则没有找到有效的数据，则删除找到的同步头；
5. 进行数据解析，若交互类型为0x22则执行离散量的输出；若交互类型为0x33则执行电源输出；若交互类型为0x44则回传电流传感器的数据给主机；
6. 处理完一帧数据后，将该帧数据从大缓存中删除，进行下一次数据的解析，解析到数据小于一帧数据的大小；
7. 轮询进行3、4、5、6的操作，将当前所有的有效数据都解析出来，并进行相应的指令的执行；

数据解析流程图如图3.3所示。

图3.3 数据解析流程图

3.3 SPI驱动

5路SPI通信用来采集电流传感器的值，通过STM32内部的SPI接口去读取电流传感器TLI4970-D025T4的数值。

TLI4970-D025T4特性如下：

1. TLI4970-D025T4电流传感器的测量范围是-25A—25A；
2. 输出的数据是16bit数据（其中低13bit是电流数据）；
3. 计算电流的公式  ；
4. TLI4970-D025T4与主控制器连接为一个3-pin的SPI接口（sclk、cs、miso）；
5. 数据帧主要有两种，当最高位为0时，表示传输的是当前测量的电流数据；当最高位为1时，表示传输的是当前电流传感器的状态值（一般发生错误的时候会传输状态数据）；数据帧格式如图3.4与3.5所示。

图3.4 电流数据帧格式

图3.5 电流传感器状态值帧格式

1. 其最高支持的SPI时钟频率为5MHz，其时序如图3.6所示，其时钟在空闲时为低电平，数据采样发生在时钟的第二个边沿；

图3.6 电流传感器SPI时序图

由STM32的SPI1、SPI2、SPI6、SPI4、SPI5这五路SPI控制器做主设备去去读取电流传感器的数据，SPI驱动的配置流程如下：

1. 使能SPI的时钟并且使能SPI的GPIO口的时钟；
2. 初始化SPI对应IO为SPI功能IO口；
3. 将5路SPI的片选线全部拉高，保证初始化后没有片选；
4. 初始化配置SPI的属性，时钟频率：90/64=1.4MHz；工作模式：时钟空闲时为低电平，在时钟的第二个边沿采样数据；数据传输模式：16bit，高位在前低位在后；传输方向：全双工模式的主设备模式；
5. 使能5路SPI外设功能；每隔5ms更新一次数据buffer和状态buffer；
6. 每隔5ms去判断一次电流传感器数据buffer中的数值是否大于最大的阈值数（15A），如果大于阈值，那么通过电源控制切断对应的那一路电源，并且更新回传电流传感器协议中的状态位信息；如果小于阈值，那么保留状态位信息。

SPI驱动配置流程如图3.7所示。

图3.7 SPI驱动配置流程

3.4 定时器驱动

板子运行需要有时间基准，解析接收串口指令需要进行周期性操作，需要时间基准，更新电流传感器的数据需要时间基准，本系统解析串口指令的周期定为20ms一次；更新电流传感器的数据的周期定为5ms一次；判断电流传感器数值是否大于阈值的操作周期定为5ms一次。保证整个流程能够周期性的运行。定时器驱动配置流程如下：

1. 配置定时器驱动组优先级；
2. 使能定时器驱动的时钟；
3. 配置定时器分频系数：定时器时钟源clk = 2 * pclk1 TIMCLK = 180M / 2 = 90M 定时器频率 = TIMCLK / (TIM_Prescaler + 1) 1M = 90 / (90 - 1)；
4. 配置定时周期数；
5. 使能定时器中断和定时器外设；
6. 定时器中断中设置定时标识，每次触发中断将定时标识置1；

定时器驱动配置流程如图3.8所示：

      

图3.8 定时器驱动配置流程