🏠 Главная · Микропроцессорные системы · 4 курс · Практические задания · Практическая работа 9

---

Практическая работа № 9

Разработка технического задания и структурной схемы микропроцессорной системы управления

Дисциплина: МДК.02.01 «Микропроцессорные системы»
Специальность: 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы»
Курс: 4
Вариант: 25
Объект: контроллер резервного аккумулятора

Этот документ является примером оформления отчёта. Пороговые значения и конкретные компоненты приняты как учебные допущения. При проектировании реального зарядного устройства необходимо руководствоваться документацией аккумулятора, зарядного контроллера и требованиями электробезопасности.

1. Цель работы

Разработать техническое задание и структурную схему микропроцессорной системы контроля резервного аккумулятора, определить её входные и выходные сигналы, режимы работы, аппаратные ресурсы, средства защиты и критерии приёмки.

2. Условие варианта

Контроллер резервного аккумулятора должен получать данные о напряжении, токе, температуре и наличии внешнего питания. Система должна управлять зарядным ключом, отключением нагрузки и вентилятором. Необходимо предусмотреть защиту от перегрева, перезаряда и глубокого разряда.

Общие требования практической работы также предусматривают автоматический и ручной режимы, индикацию состояния, аварийную сигнализацию и безопасное состояние выходов после RESET.

3. Исходные данные и принятые допущения

Для получения проверяемого учебного проекта приняты следующие исходные данные.

Параметр	Принятое значение
Тип аккумулятора	герметичный свинцово-кислотный аккумулятор, 12 В, 7 А·ч
Внешний источник	стабилизированный источник 15 В постоянного тока
Диапазон измерения напряжения АКБ	0–16 В
Диапазон измерения тока	от −5 до +5 А; знак показывает заряд или разряд
Диапазон измерения температуры	от −10 до +70 °C
Порог окончания заряда	14,4 В
Порог разрешения повторного заряда	13,6 В
Порог глубокого разряда	10,8 В
Порог повторного подключения нагрузки	12,0 В при наличии внешнего питания
Включение вентилятора	при температуре не ниже 35 °C
Выключение вентилятора	при температуре не выше 32 °C
Аварийный перегрев	45 °C
Максимальный ток заряда	1,5 А
Период быстрого контроля защитных порогов	не более 100 мс
Период обновления усреднённых показаний	не более 1 с
Напряжение логической части	3,3 В

Гистерезис между порогами включения и выключения предотвращает частое переключение ключей при небольших колебаниях измеряемых величин.

3.1. Границы проектируемой системы

К объекту управления относятся аккумулятор, внешний источник и нагрузка. В проектируемую МПС входят датчики, цепи согласования, микроконтроллер, силовые драйверы, интерфейс оператора и диагностический интерфейс.

На рисунке 1 показано, какие данные получает контроллер и какие воздействия он формирует. После сброса заряд должен быть запрещён, а нагрузка отключена до завершения самодиагностики.

Рисунок 1 — Границы проектируемой микропроцессорной системы

4. Техническое задание

4.1. Наименование системы

Микропроцессорная система контроля и защиты резервного аккумулятора МПС-АКБ-12.

4.2. Назначение и цель создания

Система предназначена для автоматического контроля состояния резервного аккумулятора, безопасного управления его зарядом и подключением нагрузки, охлаждения аккумуляторного отсека и информирования оператора о нормальных и аварийных состояниях.

Цель создания — увеличить надёжность резервного питания и предотвратить опасные режимы: перезаряд, перегрев, превышение тока и глубокий разряд.

4.3. Характеристика объекта управления

Объект управления — аккумуляторная подсистема резервного питания на 12 В. Она включает внешний источник, аккумулятор, зарядную цепь, нагрузку и вентилятор. Контролируемыми величинами являются:

• напряжение аккумулятора;
• ток заряда или разряда;
• температура аккумулятора;
• наличие внешнего питания.

Недопустимыми состояниями являются напряжение выше 14,4 В, температура не ниже 45 °C, ток заряда выше 1,5 А, разряд ниже 10,8 В, недостоверные показания критического датчика и одновременное разрешение заряда при отсутствии внешнего питания.

4.4. Функции системы

Система должна:

1. измерять напряжение аккумулятора;
2. измерять ток и определять направление энергетического потока;
3. измерять температуру аккумулятора;
4. определять наличие внешнего питания;
5. разрешать и запрещать заряд аккумулятора;
6. отключать нагрузку при глубоком разряде;
7. управлять вентилятором по температуре;
8. отображать состояние и измеренные значения;
9. включать звуковую и световую аварийную сигнализацию;
10. обнаруживать недостоверность показаний датчиков;
11. сохранять параметры настройки и код последней аварии;
12. передавать диагностические данные по UART;
13. выполнять самодиагностику после включения и сброса;
14. восстанавливаться после программного зависания с помощью watchdog.

4.5. Функциональные требования

Идентификатор	Требование
FR-01	Система должна измерять напряжение АКБ в диапазоне 0–16 В не реже одного раза в секунду.
FR-02	Система должна измерять ток в диапазоне от −5 до +5 А не реже одного раза в секунду.
FR-03	Система должна измерять температуру в диапазоне от −10 до +70 °C не реже одного раза в секунду.
FR-04	При наличии внешнего питания, напряжении ниже 14,4 В, температуре 0–45 °C и допустимом токе система должна разрешать заряд.
FR-05	При напряжении не ниже 14,4 В система должна запретить заряд не позднее чем через 200 мс.
FR-06	При температуре не ниже 45 °C система должна немедленно запретить заряд и включить аварийную сигнализацию.
FR-07	При напряжении не выше 10,8 В система должна отключить нагрузку не позднее чем через 500 мс.
FR-08	Повторное подключение нагрузки допускается при напряжении не ниже 12,0 В и наличии внешнего питания.
FR-09	Вентилятор должен включаться при 35 °C и выключаться при 32 °C или ниже.
FR-10	Система должна отображать напряжение, ток, температуру, наличие питания и текущий режим.
FR-11	При отказе датчика напряжения или температуры заряд должен быть запрещён.
FR-12	Система должна сохранять код последней аварии в энергонезависимой памяти.
FR-13	Система должна передавать измерения и состояние выходов по UART по запросу оператора.
FR-14	Watchdog должен перезапустить микроконтроллер, если основной цикл не завершился за 2 с.

4.6. Нефункциональные требования

Идентификатор	Требование
NFR-01	Основной период обновления измерений — не более 1 с.
NFR-02	Погрешность измерения напряжения после калибровки — не более ±0,1 В.
NFR-03	Погрешность измерения температуры — не более ±2 °C.
NFR-04	Логическая часть должна питаться стабилизированным напряжением 3,3 В.
NFR-05	После RESET управляющие выходы должны перейти в безопасное состояние аппаратно или за время не более 10 мс.
NFR-06	Настройки должны сохраняться при исчезновении внешнего питания.
NFR-07	Система должна работать при температуре окружающей среды от 0 до +40 °C.
NFR-08	Разъёмы измерительных и силовых цепей должны иметь однозначную маркировку.

4.7. Требования безопасности и отказоустойчивости

Идентификатор	Требование
SR-01	Силовые ключи заряда и нагрузки запрещается подключать непосредственно к GPIO микроконтроллера; должны применяться драйверы.
SR-02	Силовая цепь должна содержать предохранитель и защиту от переполюсовки.
SR-03	При недостоверных данных датчика напряжения или температуры заряд должен быть запрещён.
SR-04	При перегреве заряд отключается независимо от выбранного оператором режима.
SR-05	Ручной режим не должен позволять отменять защиту от перезаряда, перегрева и глубокого разряда.
SR-06	При включении питания и после RESET зарядный ключ и ключ нагрузки должны оставаться выключенными до завершения самодиагностики.

5. Ведомость сигналов I/O Map

5.1. Входные сигналы

№	Обозначение	Источник и назначение	Тип и диапазон	Электрический уровень	Интерфейс / ресурс	Обработка и защита	Период / реакция
1	U_BAT	напряжение аккумулятора	аналоговый, 0–16 В	0–2,9 В после делителя	ADC1_CH0	делитель 100/22 кОм, RC-фильтр, ограничение входа	контроль 100 мс; индикация 1 с
2	I_BAT	ток заряда/разряда	аналоговый, −5…+5 А	0–3,3 В	ADC1_CH1	шунт, двунаправленный усилитель, RC-фильтр	контроль 100 мс; индикация 1 с
3	T_BAT	температура аккумулятора	аналоговый, −10…+70 °C	0–3,3 В	ADC1_CH2	NTC-делитель, RC-фильтр, проверка обрыва/КЗ	контроль 100 мс; индикация 1 с
4	AC_OK	наличие внешнего питания	дискретный	0/3,3 В	GPIO DI	оптопара либо компаратор Шмитта, подтяжка	реакция 100 мс
5	BTN_MODE	выбор AUTO/MANUAL	дискретный	0/3,3 В	GPIO DI	подтяжка, антидребезг 30 мс	по событию
6	BTN_SELECT	выбор параметра	дискретный	0/3,3 В	GPIO DI	подтяжка, антидребезг 30 мс	по событию
7	BTN_TEST	запуск самодиагностики	дискретный	0/3,3 В	GPIO DI	подтяжка, антидребезг 30 мс	по событию

5.2. Выходные сигналы

№	Обозначение	Получатель и действие	Тип сигнала	Нагрузка	Интерфейс / драйвер	Защита	Безопасное состояние
1	CHG_EN	разрешение зарядного ключа	дискретный	затвор силового MOSFET	GPIO + драйвер верхнего ключа	предохранитель, TVS, ограничение тока	0, заряд запрещён
2	LOAD_EN	подключение нагрузки	дискретный	затвор силового MOSFET	GPIO + драйвер верхнего ключа	предохранитель, TVS	0, нагрузка отключена
3	FAN_PWM	управление вентилятором	PWM	вентилятор 12 В	таймер PWM + N-MOSFET	защита выбросов, ограничение тока	0; при аппаратном перегреве — принудительный ON
4	BUZZER	звуковая авария	дискретный	зуммер	GPIO + транзисторный ключ	ограничительный резистор	0
5	LED_NORM	нормальное состояние	дискретный	светодиод	GPIO + резистор	токоограничение	0
6	LED_CHARGE	заряд активен	дискретный	светодиод	GPIO + резистор	токоограничение	0
7	LED_ALARM	авария	дискретный	светодиод	GPIO + резистор	токоограничение	0
8	OLED	вывод параметров	цифровой	OLED-дисплей	I²C	подтяжки SDA/SCL	сообщение о запуске
9	UART_TX	диагностические сообщения	цифровой	сервисный порт	UART 3,3 В	последовательный резистор, ESD-защита	высокий уровень покоя

6. Режимы работы

6.1. Автоматический режим

Микроконтроллер периодически измеряет входные величины и управляет зарядом, нагрузкой и вентилятором. Заряд разрешается только при наличии внешнего питания и отсутствии запретов. Нагрузка отключается при глубоком разряде. Все защитные ограничения имеют приоритет над обычным алгоритмом.

6.2. Ручной режим

Оператор может вручную запретить заряд, отключить нагрузку, включить вентилятор и просмотреть параметры. Ручная команда не может разрешить заряд при перегреве, перезаряде, отсутствии внешнего питания или отказе датчика. Ручное подключение нагрузки запрещено при глубоком разряде.

6.3. Сервисный режим

В сервисном режиме отображаются необработанные коды ADC, состояние входов и выходов, код последнего сброса и аварии. Допускается кратковременная проверка индикаторов, зуммера и вентилятора. Силовые ключи проверяются только с безопасной тестовой нагрузкой.

6.4. Аварийный режим

При перегреве, перезаряде, сверхтоке или отказе критического датчика заряд немедленно запрещается. При глубоком разряде отключается нагрузка. Включаются аварийный светодиод и зуммер, код события сохраняется, а по UART передаётся диагностическое сообщение.

7. Расчёт аппаратных ресурсов

7.1. Сводная таблица

Ресурс	Требуется по I/O Map	Резерв	Итоговое требование
Дискретные входы DI	4	1	5
Дискретные выходы DO	6	2	8
Аналоговые входы AI/ADC	3	1	4
Импульсные входы	0	1	1
Каналы PWM	1	1	2
Таймеры	2	1	3
I²C	1	0	1
UART	1	0	1
Резервный интерфейс	0	1 SPI	1
Flash	около 24 КБ	20 %	не менее 32 КБ
RAM	около 3 КБ	20 %	не менее 4 КБ
Энергонезависимые данные	около 256 байт	100 %	не менее 512 байт

7.2. Выбор микроконтроллера

Для учебного проекта выбран STM32G030K8, поскольку он имеет:

• 32-разрядное ядро Arm Cortex-M0+;
• 64 КБ Flash и 8 КБ RAM;
• 12-разрядный АЦП с достаточным количеством каналов;
• таймеры с каналами PWM;
• интерфейсы I²C, UART и SPI;
• достаточное число GPIO с резервом;
• встроенные схемы POR/BOR, внутренний генератор и независимый watchdog;
• питание 2,0–3,6 В.

Использование микроконтроллера позволяет разместить процессор, память, ADC, таймеры и основные интерфейсы в одном корпусе. Поэтому внешняя параллельная память и отдельные шины адреса и данных не требуются.

8. Структурная схема

Структурная схема построена методом Top-Down: функции преобразованы в сигналы, сигналы — в требуемые ресурсы, а ресурсы — в аппаратные блоки. Аналоговые датчики подключаются к ADC через согласующие и защитные цепи. Силовые нагрузки управляются только через драйверы. Питание, тактирование и RESET показаны отдельным системным контуром.

Рисунок 2 — Структурная схема проектируемой МПС

9. Обоснование состава системы

9.1. Измерение напряжения

Напряжение аккумулятора выше допустимого напряжения входа ADC, поэтому применяется резистивный делитель. Для номиналов 100 кОм и 22 кОм коэффициент передачи равен:

$$ k = \frac{22}{100+22} \approx 0{,}180. $$

При напряжении 16 В на входе ADC получится:

$$ U_{ADC}=16\cdot0{,}180\approx2{,}89\text{ В}, $$

что меньше напряжения питания 3,3 В. RC-фильтр уменьшает импульсные помехи, а защитные диоды ограничивают аварийное напряжение.

9.2. Измерение тока

Ток измеряется по падению напряжения на шунте с помощью двунаправленного усилителя. Смещение выходного сигнала к половине диапазона ADC позволяет различать заряд и разряд по знаку отклонения.

9.3. Измерение температуры

Термистор NTC образует делитель напряжения. Программное обеспечение проверяет выход за физически допустимый диапазон, что позволяет обнаружить обрыв или короткое замыкание датчика.

9.4. Силовые выходы

Зарядный ключ и ключ нагрузки реализуются на MOSFET с отдельными драйверами. Такое решение разгружает GPIO, обеспечивает управление силовым током и позволяет задать аппаратное безопасное состояние резисторами затвора. Вентилятор управляется N-MOSFET по PWM.

9.5. Питание, тактирование и сброс

Логическая часть питается от DC/DC-преобразователя 3,3 В. Микроконтроллер запускается от внутреннего RC-генератора: высокой точности кварца для данной задачи не требуется. POR/BOR удерживают систему в сбросе при недопустимом напряжении, а независимый watchdog восстанавливает работу после зависания.

10. Алгоритм работы верхнего уровня

После RESET все опасные выходы выключены. Затем выполняются инициализация, самодиагностика и первый цикл измерений. Защитные условия проверяются раньше обычных команд управления. Watchdog обслуживается только после успешного завершения полного цикла.

Рисунок 3 — Алгоритм работы системы верхнего уровня

10.1. Псевдокод

после RESET:
    запретить заряд
    отключить нагрузку
    инициализировать ADC, GPIO, таймеры, I2C, UART
    прочитать настройки и причины сброса
    выполнить самодиагностику
    запустить watchdog

каждые 100 мс:
    опросить AC_OK и кнопки
    выполнить быстрый контроль U_BAT, I_BAT и T_BAT
    проверить критические пороги
    обновить программные таймеры

каждую 1 с:
    измерить U_BAT, I_BAT и T_BAT
    отфильтровать значения
    проверить достоверность датчиков

    если T_BAT >= 45 °C или U_BAT >= 14,4 В:
        запретить заряд
        включить аварийную сигнализацию

    если U_BAT <= 10,8 В:
        отключить нагрузку

    если аварий нет:
        управлять зарядом с гистерезисом
        управлять нагрузкой
        управлять вентилятором с гистерезисом

    обновить дисплей и диагностические данные
    сохранить новый код аварии при его появлении
    обслужить watchdog

11. План приёмочных испытаний

№	Проверяемое требование	Начальные условия	Действие	Ожидаемый результат
1	FR-01, NFR-02	АКБ заменена калибратором напряжения	подать 10,0; 12,0; 14,4 и 16,0 В	показания отличаются не более чем на ±0,1 В
2	FR-02	подключён источник двунаправленного тока	задать −5; 0; +1,5 и +5 А	знак и значение тока определяются корректно
3	FR-03, NFR-03	датчик помещён в термостат	задать 0, 25, 35 и 45 °C	ошибка измерения не более ±2 °C
4	FR-04	AC_OK=1, U=13,0 В, T=25 °C	включить автоматический режим	CHG_EN=1, горит индикатор заряда
5	FR-05	заряд разрешён	повысить U до 14,4 В	CHG_EN=0 не позднее 200 мс
6	FR-06, SR-04	заряд разрешён	повысить T до 45 °C	заряд отключён, вентилятор и сигнализация включены
7	FR-07	нагрузка подключена	снизить U до 10,8 В	LOAD_EN=0 не позднее 500 мс
8	FR-08	нагрузка отключена после разряда	подать внешнее питание и повысить U до 12,0 В	нагрузка может быть подключена после подтверждения восстановления
9	FR-09	температура 30 °C	повысить до 35 °C, затем снизить до 32 °C	вентилятор включается при 35 °C и выключается при 32 °C
10	FR-11	нормальная работа	разомкнуть цепь NTC	заряд запрещён, появляется код отказа датчика
11	FR-14	система работает	искусственно остановить основной цикл	watchdog вызывает перезапуск не позднее 2 с
12	NFR-05, SR-06	выходы включены	подать сигнал RESET	заряд и нагрузка немедленно отключаются
13	FR-12	создана авария	отключить и повторно включить питание	код последней аварии доступен после запуска
14	SR-05	активен ручной режим	попытаться включить заряд при 45 °C	команда отвергается, защита остаётся активной

12. Ответы на контрольные вопросы

1. Чем ТЗ отличается от описания идеи? ТЗ содержит однозначные, измеримые требования и критерии проверки, а описание идеи может быть общим и непроверяемым.
2. Почему микроконтроллер выбирают после требований? Только после определения сигналов и ресурсов можно проверить, достаточно ли GPIO, ADC, таймеров, памяти и интерфейсов.
3. Какие требования называют функциональными? Требования, описывающие действия и реакции системы.
4. Что относится к нефункциональным требованиям? Точность, время реакции, питание, условия эксплуатации, надёжность, безопасность и удобство обслуживания.
5. Как определить границы системы? Необходимо отделить объект управления от датчиков, вычислительного блока, драйверов и интерфейса оператора.
6. Чем структурная схема отличается от принципиальной? Структурная схема показывает функции и связи блоков, а принципиальная — конкретные компоненты и электрические соединения.
7. Какие блоки входят в минимальный состав МПС? Входные устройства, согласование, вычислительное ядро, память, выходные драйверы, исполнительные устройства, питание, сброс и интерфейс оператора.
8. Когда необходим АЦП? Когда измеряемый сигнал является непрерывным аналоговым напряжением.
9. Почему мощной нагрузке нужен драйвер? GPIO не обеспечивает необходимый ток и не защищён от выбросов силовой цепи.
10. Что такое безопасное состояние выхода? Состояние, в котором после сброса или отказа система не создаёт опасного воздействия. В данном проекте заряд и нагрузка отключены.
11. Для чего нужен RESET? Для перевода ядра и периферии в известное начальное состояние.
12. Что хранить в энергонезависимой памяти? Настройки, коэффициенты калибровки и код последней аварии.
13. Когда требуется таймер или PWM? Таймер задаёт период измерений и контролирует время, а PWM регулирует скорость вентилятора.
14. Что указывают возле линии на структурной схеме? Направление, тип сигнала, интерфейс или назначение линии.
15. Как превратить требование в проверку? Задать начальные условия, воздействие, измеряемый результат и допустимое время реакции.

13. Вывод

В работе проанализирован контроллер резервного аккумулятора и разработано техническое задание на микропроцессорную систему управления. Определены обязательные входы: напряжение, ток, температура и наличие внешнего питания. Выходами являются зарядный ключ, ключ нагрузки, вентилятор и средства сигнализации.

В структуру включены микроконтроллер STM32G030K8, цепи согласования аналоговых сигналов, силовые драйверы, дисплей, кнопки, диагностический интерфейс, питание, схемы сброса и watchdog. Выбор микроконтроллера подтверждён расчётом GPIO, каналов ADC, таймеров, PWM, интерфейсов и памяти с резервом.

Безопасность обеспечивается отключением заряда при перегреве, перезаряде и отказе датчиков, отключением нагрузки при глубоком разряде и безопасным состоянием выходов после RESET. Соответствие проекта техническому заданию проверяется набором из четырнадцати воспроизводимых приёмочных испытаний.

Источник задания

• Практическая работа № 9 «Разработка технического задания и структурной схемы микропроцессорной системы управления»

---

← Практическая работа № 9 · Практическая работа № 10 →

Оригинал материала на GitHub