PCB布线工作对于很多工程师来讲就是连连看，而且还是一项非常枯燥乏味的工作。这其实只是一个初级的认知，一位优秀的PCB设计工程师还是能做很多工作并能解决很多产品设计中的问题的。本文结合一些大厂的设计规则以及部分的技术文章，将分享一些PCB设计中布线的要点，仅供参考。 1、通用做法 在进行PCB 设计时，为了使高频、高速、模拟电路板的设计更合理，抗干扰性能更好，应从以下几方面考虑： （1）合理选择层数；在 PCB 设计中对高频、高速电路板布线时，利用中间内层平面作为电源和地线层，可以起到屏蔽的作用，能有效降低寄生电感；还可以降低信号间的交叉干扰。 （2）走线方式；走线按照 45°角拐弯或圆弧拐弯，这样可以减小高频、高速信号的反射和相互之间的耦合。 （3）走线长度；没有特殊要求的情况下，走线长度越短越好（有损耗要求的要根据实际情况而定）；相邻布线时，线与线之间并行距离越短越好。 （4）过孔设计以及数量；过孔设计时，要注意尽量使过孔的阻抗与传输线的阻抗相互一致或者尽量一致；同时。过孔数量越少越好，因为过孔很容易引起阻抗不连续。 （5）相邻层间布线方向；层间布线方向应该取垂直方向，就是上一层为水平方向，相邻的层为垂直方向，这样可以减小信号间的干扰。 （6）包地；很多时候，工程师都认为对重要的信号线进行包地处理，可以显著提高该信号的抗干扰 能力，但是一定要注意避免包地引入新的问题，比如是否导致空间变小，或者阻抗发生了变化。当然，还可以对干扰源进行包地处理，使其不能干扰其它信号。高速PCB设计时，保护地线要还是不要，这是个问题？ （7）信号线；信号走线不能环路，减少环路引入噪声。 2、布线优先次序 关键信号线优先：摸拟小信号、高速信号、时钟信号和同步信号等关键信号优先布线 密度优先原则：从单板上连接关系最复杂的器件着手布线。从单板上连线 最密集的区域开始布线 注意点： a、尽量为时钟信号、高频信号、敏感信号等关键信号提供专门的布线层，并保证其最小的回路面积。必要时应采取手工优先布线、屏蔽和加大安全间距等方法。保证信号质量。 b、电源层和地层之间的EMC环境较差，应避免布置对干扰敏感的信号。 c、有阻抗控制要求的网络应尽量按线长线宽要求布线。 3、时钟的布线 时钟线是对EMC 影响最大的因素之一。在时钟线上应少打过孔，尽量避免和其它信号线平行走线，且应远离噪声源或者热源，避免对信号线的干扰。同时应避开板上的电源部分，以防止电源和时钟互相干扰。 如果板上有专门的时钟发生芯片，其下方不可走线，应在其下方铺铜，必要时还可以对其专门割地。对于很多芯片都有参考的晶体振荡器，这些晶振下方也不应走线，要铺铜隔离。 (1)时钟驱动器布局在PCB中心而非电路板外围，布局尽量靠近，走线圆滑、短，非直角、非T形。 (2)避免时钟之间、与信号之间的干扰，避免几种信号平行布线，必要时采用GND屏蔽层包裹隔离，不同时钟或信号之间间距尽量远。 (3) 时钟信号尽量不采用跨界分割平面。 (4) 如果是差分时钟线，一定要注意等长。 (5)时钟晶振: 时钟线先经过负载电容，再到达晶振，周围打孔，GND屏蔽. (6) 同源时钟: 时钟线的并联匹配电阻靠近负载芯片，串联电阻靠近时钟芯片或者CPU。 4、直角走线 直角走线一般是PCB布线中要求尽量避免的情况，也几乎成为衡量布线好坏的标准之一，那么直角走线究竟会对信号传输产生多大的影响呢？从原理上说，直角走线会使传输线的线宽发生变化，造成阻抗的不连续。 其实不光是直角走线，顿角，锐角走线都可能会造成阻抗变化的情况。 直角走线的对信号的影响主要体现在三个方面： 一是拐角可以等效为传输线上的容性负载，减缓上升时间； 二是阻抗不连续会造成信号的反射； 三是直角尖端产生的EMI。 5、差分走线 差分信号在高速电路设计中的应用越来越广泛，电路中绝大多数的信号都采用了差分线结构。 使用差分线是为了抗干扰，从两个角度可以说明它的优点。 第一， 在相同电平幅度的信号中，差分线的峰峰值是单端线的两倍。 第二， 在相同的电路环境中，由于单端走线参考的是地平面，对于外界的干扰，受到的影响和地平面上受到的同一干扰表现差异很大，导致它在走线上的干扰和回流路径中的干扰无法相互抵消（单端走线电压基准为地平面）；而差分线由于是平行等长走线，在相同的电路环境中，两条走线的耦合度很高，在受到同一干扰源时，两天线上的干扰程度接近，而差分线电压基准点为对应的另外一条走线，而不是地平面，对于共模干扰有较好的抑制能力。 差分线想要更高的抗干扰能力，来获得低的误码率，提升传输速率，但他需要比单端线对一条额外的线作为信号的回流线。所以，只有在追求更高的传输速率或者更强的抗干扰能力的设计中才会不惜增加传输线的数量来保证传输的速率和更强的抗干扰能力。 对于PCB工程师来说，在设计差分传输线的时候就要做好差分对内的等长以及阻抗的一致性（等间距）。 等长是为了保证两个差分信号时刻保持相反极性，减少共模分量；等距则主要是为了保证两者差分阻抗一致，减少反射。至于平常大家所说的紧耦合还是松耦合，要视情况而定。差分对紧耦合真的比松耦合好吗？ 6、蛇形线 蛇形线是Layout中经常使用的一类走线方式。其主要目的就是为了调节传输线延时，尤其是为了满足传输线的对内或者对间等长，或者是为了满足系统时序的要求而针对性的设计。 7、电源、地线的处理 既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、 地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电源、地线的布线要认真对待，把电源、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。 地线和电源线的PCB布线规则如下： 1、在电源、地线之间加上去耦电容。 2、尽量加宽电源线、地线宽度，最好使地线比电源线宽。 3、在高速数字电路的PCB中使用宽的地线组成一个回路，最好有一个完整的地平面来参考。模拟电路的地不能这样使用。 4、用大面积铜层作地线，在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用，或是做成多层板，电源和地线各占用一层。 5、对于导通孔密集的区域，要注意避免孔在电源和地层的挖空区域相互连接，形成对平面层的分割，从而破坏平面层的完整性，并进而导致信号线在地层的回路面积增大。 地线回路规则： 地线环路尽量小，即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰的噪声也越小。 去耦电容规则： A. 在PCB上增加必要的去耦电容，滤除电源上的干扰信号，使电源信号稳定。去耦电容的布局及电源的布线方式将直接影响到整个系统的稳定性，有时甚至关系到设计的成败。 B. 在PCB设计中，一般应该使电流先经过滤波电容滤波，再供器件使用。 C. 在高速电路设计中，能否正确地使用去耦电容，关系到整个板的稳定性。 8、数字电路与模拟电路的共地处理 现在有许多PCB不再是单一功能电路（数字或模拟电路），而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。 数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的，它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处（如插头等）。数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。 9、信号线布在电源或者地平面上 在多层PCB布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为解决这个矛盾，可以考虑在电源和地平面层上进行布线。首先应考虑用电源层，其次才是地层。因为最好是保留地平面的完整性。 10、设计规则检查（DRC） 布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查有如下几个方面： （1）线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。 （2）电源线和地线的宽度是否合适？电源与地平面之间是否紧耦合？ （3）对于关键的信号线是否采取了最佳措施，如长度、加保护线、发送（TX）线及接收（RX）线的距离（有的要求分层布线）等等。 （4）模拟电路和数字电路部分，是否有各自独立的地线或者其如何连接。 （5）在PCB上是否加有工艺线？阻焊是否符合生产工艺的要求，阻焊尺寸是否合适，字符标志是否压在器件焊盘上，以免影响电装质量。 （6）多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小，如电源地层的铜箔露出板外容易造成短路。 11、检查3W、3H原则 3W原则就是指信号线与信号线之间的中心间距为线宽的3倍。 3H原则就是指信号线与信号线之间的中心间距为信号线到参考层距离的3倍。 无论是3W还是3H原则，都是为了减少信号线之间的串扰。尤其是高速信号线或者高频信号线之间。只要能满足3H或者3W的原则，那么串扰就会非常小。但是，对于小型化产品设计而言，已经很难满足3W或者3H原则。另外，串扰的主要来源已经不再只是传输线之间的影响。
钽电容在电容界属于什么呢？可以说是富哥，因为钽是一种贵金属，回收价值高。 钽电容全称是钽电解电容，是属于电解电容的一类，相比于铝电解电容，它价格会更贵。在发展上钽电容最早是在1956年由美国贝尔实验室首先研制成功的，可以做到在保证电容器体积小的同时又能够达到较大电容量的效果，性能优异。 钽电容具有高容量密度，低ESR，高温度稳定性，低漏电流以及寿命长等优点，在电子产品的设计有着广泛的应用。在结构上钽电容使用钽金属片作为电极，电介质是钽氧化物，在钽氧化物薄膜和钽金属片之间有一个极细的介电层，整个钽电容的结构被包裹在塑料或者金属外壳中，以保护其结构稳定性，免受环境的影响。 在封装形式上，钽电容主要分为贴片钽电容和引线钽电容两种形式，并且它是有极性的，其中贴片钽电容有标记的一端是表示正极，这个标示法刚好是和部分铝电解电容是相反的（也就是有标记的一端是负极）；而如果是引线钽电容，它的正极是长腿的那一根。 钽电容千万不要接反，不然就可能造成电容被烧焦，严重的情况甚至会发生爆炸。 那钽电容在使用时需要考虑哪些参数呢？其实也和正常电容使用时要考虑的参数差不多。 容值 正常来讲，容值随频率的增加而下降，随温度的增加也会跟着细微增加，不过因为钽电容的温度系数好，它是采用的固体MnO2电解质，所以它的容值变化相对来说更加稳定。 额定电压 在规格书中，一般标示的工作电压是一定温度下最大直流电压（小于85℃），当这个温度高于85℃时，额定电压就会降低，比如说到了125℃，额定电压就可能降低到了原来的额定电压的三分之二。 漏电流 DCL值是钽电容的性能表现的一个关键的参数，漏电流的衰减速度和高温时的漏电流变化率对于产品的可靠性起着决定性的作用。 耗散因子（DF值） 耗散因子是电容内部功率耗散的物理量，它指的是电容上施加交流电时的功率损耗，高的耗散因子可能会使得电容的寿命缩短，所以这个值是越小越好的。耗散因子的公式是串联电阻除以容抗，即DF=RS/XC。一般情况下，DF值会随着频率增加而增加。 绝缘电阻 绝缘电阻值是规定值，指的是在常温下，对电容以额定电压值进行充电1分钟/2分钟，然后再将电压值除以1分钟/2分钟的平均漏电流得到绝缘电阻值。 ESR 等效电阻，这里指的是电容的等效串联电阻，这个参数ESR的值会影响电源纹波和PDN仿真，其中MLCC的ESR一般都比较小，差不多是mΩ级别，不过像钽电容就会相对大一点，一般是Ω级别的。
一、信号输入与输出设备概述 在PLC控制电机正反转的系统中，我们首先需要明确输入与输出设备。输入设备包括正转启动按钮（通常标记为SB1）、停止按钮（标记为SB3）和反转启动按钮（标记为SB2）。这些按钮作为控制信号，用于操作电机的运行状态。输出设备则是电动机正转接触器线圈（KM1）和反转接触器线圈（KM2），它们分别负责控制电机的正转和反转。 二、硬件配置与连接 根据电机和PLC的具体型号，我们需要进行硬件配置和连接。首先，需确认电机的功率、电压等关键参数，以及PLC的输入输出点数和性能需求。接着，选择合适的电源，确保电机和PLC获得稳定的电力供应。然后，安装输入模块以接收按钮等控制信号，安装输出模块以驱动接触器线圈等执行设备。 三、输入输出地址配置 在PLC编程环境中，我们为输入和输出信号分配特定的地址，便于在程序中进行引用。例如，将正转启动按钮SB1的地址设为X0，停止按钮SB3的地址设为X2，反转启动按钮SB2的地址设为X1。同时，将电动机正转接触器线圈KM1的地址设为Y0，反转接触器线圈KM2的地址设为Y1。 四、正反转控制程序设计 程序设计是实现电机正反转控制的核心。当按下正转启动按钮SB1时，程序会接通正转接触器线圈KM1，使电机开始正转。当按下停止按钮SB3时，程序会断开正转接触器线圈KM1，使电机停止运行。当按下反转启动按钮SB2时，程序会先断开正转接触器线圈KM1，然后接通反转接触器线圈KM2，使电机开始反转。 五、程序仿真与调试 最后，我们需要在PLC编程软件中进行仿真调试，以验证程序的正确性。通过模拟按下正转启动、停止和反转启动按钮，观察电机的转动情况，确保程序能够实现预期的正反转控制。同时，还需检查程序中的互锁逻辑，以防止正转接触器线圈KM1和反转接触器线圈KM2同时通电，导致三相电源短路。在调试过程中，需密切关注电机的运行情况，及时调整程序参数，以达到最佳的控制效果。
配网自动化系统一般由下列层次组成：配电主站、配电子站（常设在变电站内，可选配）、配电远方终端（FTU、DTU、TTU等）和通信网络。配电主站位于城市调度中心，配电子站部署于110kV/35kV变电站，子站负责与所辖区域DTU/TTU/FTU等电力终端设备通信，主站负责与各个子站之间通信。 1、开闭所终端设备（DTU） DTU一般安装在常规的开闭所（站）、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处，完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电，部分DTU还具备保护和备用电源自动投入的功能。 1.1 定义 DTU一般安装在常规的开闭所（站）、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处，完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电。 1.2 特点 1) 机箱结构采用标准4U半（全）机箱，增强型设计；2）采用后插拔接线方式，整体面板，全封闭设计；3） 率先采用基于CANBUS总线的智能插件方案，极大地减少了插件间接线，完全避免了插件接触不良的隐患，装置运行可靠性高；4）智能插件方案的采用，使机箱母板标准化，便于生产及现场维护；5）装置不同类插件在结构设计时保证不能互插，提高整体安全性；6）采用32位D浮点型SP，系统性能先进；7）采用16位A/D转换芯片，采样精度高； 8）采用大规模可编程逻辑芯片，减少外围电路，提高可靠性；9）大容量存储器设计，使得报文及事故录波完全现场需求；10）采用多层印制板电路和SMT表面贴装技术，装置的抗干扰性能强；11）测量回路精度软件自动校准，免调试，减小现场定检等维护时间；12）超强的电磁兼容能力，能适应恶劣的工作环境；13）功能强大的PC支持工具，具有完善灵活的分析软件，便于事故分析；14）简单可靠的保护处理系统（DSP）与成熟的实时多任务操作系统相结合，既保证功能可靠性，又能满足网络通讯、人机界面的实时性；15）支持RS232/RS485、Enthernet等多种通讯接口,内置Enthernet使得工程应用简单、可靠；16）支持IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104等标准规约；17）各装置独立的掉电保持时钟系统及带对时脉冲的GPS对时系统。 1.3 功能 遥测（1）交流电气测量Ia、Ib 、Ic、In、Uab、Ucb、Ua、Ub、Uc，Un等任意组合，一般Uab和Ucb分别取开关两侧，监视馈线两端的供电情况。（2）两表法或三表法，软件计算出P、Q、Pa、Pb、Pc、f、cos∮等，根据主站需要上传；（3）保护Ia、Ic的记录上传；（4）直流模拟量：两路，电池电压、温度等。遥信 （1）开关状态信号， SOE；（2）开关储能信号、操作电源；（3）压力信号等；（4）电池低电压告警；（5）保护动作和异常信号；（6）其他状态信号。遥控（1）开关的分合，失电后可进行2次以上分合操作；（2）电池的维护；（3）保护信号远方复归；（4）其他遥控。数据传输功能能与上级站进行通信，将采集和处理信息向上发送并接受上级站的控制命令。和上级的校时。其他终端的信息向上转发。电能量信息向上转发。主动上传事故信息（可选功能）。具有当地维护通信接口。通信规约：支持DL/T 634.5101-2002（IEC60870-5-101）、DL/T634.5104-2002（IEC60870-5-104）、DL/T 451-91循环式远动规约、DNP3.0、SC1801、MODBUS等多种通信规约，并可按需要进行扩充。通信接口：RS-232/485、工业以太网、CAN。通信信道：可支持光纤、载波、无线扩频、无线数传电台、CDMA、GPRS以及ADSL等多种通讯形式，由用户任选。故障识别、隔离隔离恢复供电及保护具有速断、延时过电流（复合低电压）保护、重合闸功能 ，根据馈线自动化方案选配。监测故障电流，记录过电流时间、过电流最大值，上报配电子站、配电主站。配电子站、配电主站根据各开关DTU上报过电流故障信息和开关跳闸信息，按照配电网变结构耗散拓扑模型，进行故障区域判断，指出故障区域，生成故障隔离命令序列和非故障区域恢复供电命令序列。自动或人机交互下发执行。就地操作DTU内有分、合闸按钮，实现就地操作。有就地/遥控选择开关，维护放电按钮等。环网功能当DTU设置为联络开关时，根据一侧或二侧PT受电状态，按整定值自动控制开关合分。在开关双侧有电时，禁止联络开关合闸。需要联网运行的，主站要进行专门设置和确认。当一侧失电时，根据FA方案和主站的设置，允许自动合闸的，自动控制合闸，以迅速地恢复供电。定值下装、上传功能速断定值、使能；过电流定值，时间常数、使能；重合闸时间、使能；环网功能设置、取消。当地维护功能通过DTU上的标准通信维护接口，利用专用维护软件进行调试及维护。包括参数定值配置、检查；遥测、遥信、遥控、对时测试召测；数据上传、通信等。自诊断、自恢复功能具有自诊断功能，当发现DTU的内存、时钟、I/O等异常，马上记录并上报。具有上电自恢复功能。电源UPS和电池维护功能满足操作机构、终端设备和通信装置用电。DTU双电源供电，一侧电源失电后仍可持续工作。平时由主电源给DTU供电，同时给电池浮充。双侧电源失电后由电池供电，DTU可继续工作24小时（电台除外）。电池低电压告警保护功能。电池自动维护：在规定的时间内由调度员下发电池维护命令，电池开始放电，电池低电压时自动停止放电，自动切换由主电源供电，并给蓄电池充电。电池充电采用恒压限流充电，确保安全。 2、馈线终端设备（FTU） FTU 是装设在馈线开关旁的开关监控装置。这些馈线开关指的是户外的柱上开关，例如10kV线路上的断路器、负荷开关、分段开关等。一般来说，1台FTU要求能监控1台柱上开关，主要原因是柱上开关大多分散安装，若遇同杆架设情况，这时可以1台FTU监控两台柱上开关。 2.1 定义 FTU 是装设在馈线开关旁的开关监控装置。这些馈线开关指的是户外的柱上开关，例如10kV线路上的断路器、负荷开关、分段开关等。一般来说，1台FTU要求能监控1台柱上开关，主要原因是柱上开关大多分散安装，若遇同杆架设情况，这时可以1台FTU监控两台柱上开关。 2.2 特点 FTU采用了先进的DSP 数字信号处理技术、多CPU集成技术、高速工业网络通信技术，采用嵌入式实时多任务操作系统，稳定性强、可靠性高、实时性好、适应环境广、功能强大，是一种集遥测、遥信、遥控、保护和通信等功能于一体的新一代馈线自动化远方终端装置。适用于城市、农村、企业配电网的自动化工程，完成环网柜、柱上开关的监视、控制和保护以及通信等自动化功能。配合配电子站、主站实现配电线路的正常监控和故障识别、隔离和非故障区段恢复供电。 2.3 功能 遥测（1）交流电气测量Ia、Ib 、Ic、In、Uab、Ucb、Ua、Ub、Uc，Un等任意组合，一般Uab和Ucb分别取开关两侧，监视馈线两端的供电情况。（2）两表法或三表法，软件计算出P、Q、Pa、Pb、Pc、f、cos∮等，根据主站需要上传；（3）保护Ia、Ic的记录上传；（4）直流模拟量：两路，电池电压、温度等。 遥信 （1）开关状态信号， SOE；（2）开关储能信号、操作电源；（3）压力信号等；（4）电池低电压告警；（5）保护动作和异常信号；（6）其他状态信号。遥控（1）开关的分合，失电后可进行2次以上分合操作；（2）电池的维护；（3）保护信号远方复归；（4）其他遥控。数据传输功能能与上级站进行通信，将采集和处理信息向上发送并接受上级站的控制命令。和上级的校时。其他终端的信息向上转发。电能量信息向上转发。主动上传事故信息（可选功能）。具有当地维护通信接口。通信规约：支持DL/T 634.5101-2002（IEC60870-5-101）、DL/T634.5104-2002（IEC60870-5-104）、DL/T 451-91循环式远动规约、DNP3.0、SC1801、MODBUS等多种通信规约，并可按需要进行扩充。通信接口：RS-232/485、工业以太网、CAN。通信信道：可支持光纤、载波、无线扩频、无线数传电台、CDMA、GPRS以及ADSL等多种通讯形式，由用户任选。故障识别、隔离、恢复供电及保护具有速断、延时过电流（复合低电压）保护、重合闸功能，根据馈线自动化方案选配。监测故障电流，记录过电流时间、过电流最大值，上报配电子站、配电主站。配电子站、配电主站根据各开关FTU上报过电流故障信息和开关跳闸信息，按照配电网变结构耗散拓扑模型，进行故障区域判断，指出故障区域，生成故障隔离命令序列和非故障区域恢复供电命令序列。自动或人机交互下发执行。就地操作FTU内有分、合闸按钮，实现就地操作。有就地/遥控选择开关，维护放电按钮等。环网功能当FTU设置为联络开关时，根据一侧或二侧PT受电状态，按整定值自动控制开关合分。在开关双侧有电时，禁止联络开关合闸。需要联网运行的，主站要进行专门设置和确认。当一侧失电时，根据FA方案和主站的设置，允许自动合闸的，自动控制合闸，以迅速地恢复供电。定值下装、上传功能速断定值、使能；过电流定值，时间常数、使能；重合闸时间、使能；环网功能设置、取消。当地维护功能通过FTU上的标准通信维护接口，利用专用维护软件进行调试及维护。包括参数定值配置、检查；遥测、遥信、遥控、对时测试召测；数据上传、通信等。自诊断、自恢复功能具有自诊断功能，当发现FTU的内存、时钟、I/O等异常，马上记录并上报。具有上电自恢复功能。电源UPS和电池维护功能满足操作机构、终端设备和通信装置用电。FTU双电源供电，一侧电源失电后仍可持续工作。平时由主电源给FTU供电，同时给电池浮充。双侧电源失电后由电池供电，FTU可继续工作24小时（电台除外）。电池低电压告警保护功能。电池自动维护：在规定的时间内由调度员下发电池维护命令，电池开始放电，电池低电压时自动停止放电，自动切换由主电源供电，并给蓄电池充电。电池充电采用恒压限流充电，确保安全。 3、配变终端设备（TTU） TTU监测并记录配电变压器运行工况，根据低压侧三相电压、电流采样值，每隔1～2分钟计算一次电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能等运行参数，记录并保存一段时间（一周或一个月）和典型日上述数组的整点值，电压、电流的最大值、最小值及其出现时间，供电中断时间及恢复时间，记录数据保存在装置的不挥发内存中，在装置断电时记录内容不丢失。配网主站通过通信系统定时读取TTU测量值及历史记录，及时发现变压器过负荷及停电等运行问题，根据记录数据，统计分析电压合格率、供电可靠性以及负荷特性，并为负荷预测、配电网规划及事故分析提供基础数据。如不具备通信条件，使用掌上电脑每隔一周或一个月到现场读取记录，事后转存到配网主站或其它分析系统。TTU构成与FTU类似，由于只有数据采集、记录与通信功能，而无控制功能，结构要简单得多。为简化设计及减少成本，TTU由配变低压侧直接变压整流供电，不配备蓄电池。在就地有无功补偿电容器组时，为避免重复投资，TTU要增加电容器投切控制功能。 3.1定义 TTU监测并记录配电变压器运行工况，根据低压侧三相电压、电流采样值，每隔1～2分钟计算一次电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能等运行参数，记录并保存一段时间（一周或一个月）和典型日上述数组的整点值，电压、电流的最大值、最小值及其出现时间，供电中断时间及恢复时间，记录数据保存在装置的不挥发内存中，在装置断电时记录内容不丢失。配网主站通过通信系统定时读取TTU测量值及历史记录，及时发现变压器过负荷及停电等运行问题，根据记录数据，统计分析电压合格率、供电可靠性以及负荷特性，并为负荷预测、配电网规划及事故分析提供基础数据。如不具备通信条件，使用掌上电脑每隔一周或一个月到现场读取记录，事后转存到配网主站或其它分析系统。 3.2特点 适用于供电公司、县级电力公司、发电厂、工矿企业、部队院校、农村乡电管站、100-500KVA配电变压器台变的监测与电能计量，配合用电监察进行线损考核，还能通过GPRS通信网络将所有数据送到用电管理中心，为低压配电网络优化进行提供最真实最准确的决策依据。 3.3功能 ■ “四合一”综合功能集计量、电能质量监测、配变工况监测、无功补偿四项功能于一体。 ■ 智能无功补偿 智能式电容器可自成系统，电容器自动投切，实现自动无功补偿 ■ 组网灵活 遵循国家电网公司与南网公司现行配变监测系统 规约，方便接入电力企业现有的负荷管理系统与配电管理系统，提供完整的电压无功实时信息，亦可独立组成无功实时信息系统 ■ 工程简便 装置 结构简洁，内部接线少而清晰，电容器积木式组合，便于安装、维护，更方便优化调整补偿容量 4、远程终端设备（RTU） 4.1定义 RTU（Remote Terminal Unit）是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制器PLC相比，RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。 远程终端设备（RTU）是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来得数据转换成命令，实现对设备的功能控制。 4.2特点 （1）通讯距离较长；（2）用于各种环境恶劣的工业现场；（3）模块结构化设计，便于扩展 ；（4）在具有遥信、遥测、遥控领域的水利，电力调度，市政调度等行业广泛使用。 4.3功能 (1) 采集状态量并向远方发送，带有光电隔离，遥信变位优先传送； (2) 采集数据量并向远方发送，带有光电隔离；(3) 直接采集系统工频电量，实现对电压、电流、有功、无功的测量并向远方发送 ，可计算正反向电度；(4) 采集脉冲电度量并向远方发送，带有光电隔离；(5) 接收并执行遥控及返校；(6) 程序自恢复；(7) 设备自诊断(故障诊断到插件级)；(8) 设备自调；(9) 通道监视；(10) 接收并执行遥调；(11) 接收并执行校时命令(包括GPS对时功能 选配)；(12) 与两个及两个以上的主站通讯；(13) 采集事件顺序记录并向远方发送；(14) 提供多个数字接口及多个模拟接口；(15) 可对每个接口特性进行远方/当地设置；(16) 提供若干种通信规约,每个接口可以根据远方/当地设置传输不同规约的数据；(17) 接受远方命令,选择发送各类信息；(18) 可转发多个子站远动信息；(19) 当地显示功能，当地接口有隔离器；(20) 支持与扩频、微波、卫星、载波等设备的通讯；(21) 选配及多规约同时运行，如DL451-91 CDT规约，同进应支持POLLING规约和其他国际标准规约（如DNP3.0、SC1801、101规约）；(22) 可通过电信网和电力系统通道进行远方设置。 主要区别：DTU是SOCKET连接的客户端。因此只有DTU是不能完成数据的无线传输的，还需要有后台软件的配合一起使用。FTU与RTU有以下区别：FTU体积小、数量多，可安置在户外馈线上，设有变送器，直接交流采样，抗高温，耐严寒，适应户外恶劣的环境；而RTU安装在户内，对环境要求高；FTU采集的数据量小，通信速率要求较低，可靠性要求较高；而RTU采集的数据量大，通信速率较高，可靠性要求高，有专用通道。TTU则是单一功能单元，仅对配电变压器的信息采集和控制。
鉴于半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，为实现对晶圆片的高质量和高效率划片，设计了一种全自动激光晶圆划片机。该设计通过机器视觉对准系统获取划片位置，控制系统由上位机和西门子PLC组成，可实现晶圆的自动上下料、十字滑台运动和激光划片功能。实际运行表明，该设备的晶圆划片精度和效率可以满足实际生产需求，可实际应用在半导体晶圆划片生产中，具有自动化水平高和柔性好的特点。 0 引言 划片主要用于碳化硅、蓝宝石、砷化镓等材料的加工，是将半导体晶圆分割成单个芯片的工序。划片要求切缝窄、崩边小、裂纹少、无分层[1]，划片质量直接影响半导体封装成品的可靠性[2-3]。面对半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，晶圆直径不断增大，厚度越来越薄，使得晶圆对外力较为敏感。单位面积上集成的电路不断增加，留给分割的划片道越来越小，无法完成任意线段形状的划切，砂轮划片机已无法完全满足需求。 激光具有单色性好、方向性强、划片效率高等特点，因此激光划片目前已经成为晶圆划片的研究热点。2023年，段凌云等人研究了激光划片砷化镓晶片时加工参数激光脉冲能量、水射流压力、加工速度、水射流角度等对微槽深度、微槽宽度和材料去除率的影响[4]。2022年，许军等人通过湿法台阶刻蚀工艺在电池晶圆上做成切割槽后采用激光划片晶圆，尺寸误差小于10 μm，与金刚石砂轮划片相比具有速度快、维护周期短等优点[5]。2020年，汪于涛等人利用德国的PX100-3-GF激光器对单晶硅切割进行研究，探讨了激光能量、光斑、切缝宽度及切割次数对单晶硅切割的影响[6]。2018年，张乾等人针对激光划片机的自动化生产需求，利用图像识别和模板匹配，在激光划片机上实现晶圆的自动对位，最后通过建立网格节点的方式得出划片轨迹实现晶圆的自动识别与划片，但适应多种复杂晶圆自动对位算法的兼容性存在一定问题[7]。 激光划片机已经成为 半 导 体 行 业 中 的 重 要 设备，日本DISCO公司销售的激光划片机占据了大量的市场份额。随着半导体行业对精度和效率的要求不断提高，激光划片机需要进一步升级。为了满足半导体生产制造中对高效率、高精度、柔性化的要求，设计了一套全自动激光晶圆划片系统，配备了视觉自动对准和自动上下料系统，大大提高了划片效率和质量。 1 系统方案 全自动激光半导体划片机通过高功率激光辐照半导体晶圆表面，利用半导体材料气化或升华原理实现对砷化镓（GaAs）半导体晶圆片的自动划切。激光划片机的总体结构如图1所示。 自动激光划片机由上下料装置、激光装置、划片工作台和控制系统等组成，激光和视觉系统固定，晶圆片放在划片工作台的支架上，工作台带动晶圆片移动实现划片操作。 激光划片的工作过程：上片、对准、划片和下片等。上料吸盘机构将料盒从储料盒中推出来，通过上下料中的定位装置将料盘定位，然后通过传输装置将料盘运送到旋转工作台，旋转工作台利用真空嘴吸附固定料盘，利用视觉自动对位后，利用X/Y轴的往复运动实现自动划片。自动划片完成后下料装置将划切好的晶圆片传送至下一工站。 激光划片机是建立在激光束的聚焦和扫描技术之上，一股激光束通过聚焦透镜和扫描镜被精确聚焦到待划片的材料表面。激光束照射在材料表面，产生高温和高压，形成激光刻蚀效应，从而在材料表面刻出一条刻痕。激光划片机的主要组成部分包括激光源、聚焦透镜、扫描镜、运行工作台和控制系统等，其中激光的功率和工作频率对划片的效率和精度起着决定性作用，故采用美国PAR公司的100/25型CO2激光器，波长为10.6 μm，含有RS232接口。聚焦透镜和扫描镜则负责控制激光束的聚焦和扫描。工作台用 于 放置 待 划 切 的 半 导 体 晶 圆 ，其稳 定 性 对 划片精度具有重要影响。控制系统则负责协调各部件的工作，包括激光束的扫描路径、激光功率和工作时间等。 2 上下料与划片工作台机构设计 上下料系统如图2所示，主要包括上料装置、上下料装置、抓取装置和其他辅助装置。上料装置的运动由步进电机、传动机构和气动抓取装置实现。上下料装置利用升降机构将料盒上下移动到相应位置，由于料盒移动对精度要求不高，故采用丝杠滑块结构，步进电机带动丝杠滑块实现模块的上下直线运动。上料装置利用升降机构的运动移动放有待搬运晶圆片的料盒以适应抓取装置的取料。抓取装置由伸缩气缸、旋转气缸和吸嘴等组成，通过控制系统对步进电机、气缸和真空发生器等进行控制，实现晶圆片的自动上料。自动上下料系统能提高生产效率，降低生产成本，提高昂贵设备的利用率，实现大规模灵活生产。 划片工作台如图3所示，由划片运动装置、真空吸盘和固定装置等组成。划片运动装置能够实现X/Y方向的运动和旋转运动，X/Y方向的精密丝杠平台固定设置于切割工作台平台的下方，通过移动配合激光控制系统实现半导体晶圆的划片。X/Y方向位置分辨率10 nm，最高进给速率1500 mm/min，加速度大于2m/s2，定位精度0.1 μm。X/Y方向的电机根据计算选择功率为400 W的松下A5系列低惯量型伺服电机，额定转速为3000 r/min，额定转矩为1.3 N·m。丝杠采用THK公司的DIK型单螺母滚珠丝杠，行程为500 mm。由于采用机器视觉实现自动对准，要求旋转工作台精度高、响应快、运行平稳，DD马达电气控制精度高且具有高刚性，故采用DD马达直接驱动工件台旋转。DD马达参数：额定转速2.0 r/s，重复定位精度±3″，绝对定位精度±45″，最大输出转矩30 N·m，偏差小于5 μm。 3 控制系统设计 自动激光划片机的控制系统采用“工控机+PLC” 的控制架构体系，模块化设计，即系统由主控单元和运动控制组成。主控机运行上位机软件，利用S7.Net.dll动态链接库向S7-1500 PLC发送命令和接收数据；S7-1500 PLC 与 华 太 模 块 组 成 分 布 式 IO 系统 实现激光 加 工 、上 下 料 等 输 入 / 输 出 信号 的 处理 ，利 用Halcon提供的图像处理算子实现视觉识别对准和检测等。控制系统框图如图4所示。 针对原有激光划片机存在抗干扰能力差、易出现死机等问题，本项目选用西门子S7-1500 PLC作为划片机的下位机运动核心，借助全集成自动化平台实现混合编程。S7-1500 PLC支持PROFINET、PROFIBUS、TCP/IP、OPC UA和Modbus等通信，可方便地实现与上位机软件或远程模块的安全高效通信。X/Y方向定位精度要求高，不允许有误差累计，全程500 mm累计误差不大于3 μm，选分辨率为0.25 μm的光栅尺进行位置测量，实现全闭环控制，如图5所示，控制算法采用模糊PID。 视觉对准系统如图6所示，主要由相机、镜头和光源组成。相机选用分辨率为2592像素×1944像素的黑白工业相机，远心镜头，环形光源。对准是激光刀具或运动平台的运动路径与晶圆划片“轨道”的对齐和定位，能保证划片一直沿着预定轨迹进行，对准系统是划片机实现自动化、高效率加工的基础，直接影响划片的整体精度，是激光划片的关键技术。相机采集晶圆图像后，利用Halcon模板匹配算子找到晶圆边缘，然后利用Hough算子搜索中心线，利用中心线进行角度偏差校正，完成对准操作。 4 验证分析 设计的全自动激光晶圆划片机可实现全自动上下料、自动对焦、自动划片和检测。对砷化镓（GaAs）半导体晶圆片进行划片实验，结果表明，该全自动激光 晶 圆划 片 机 的 划片 精 度 达 ± 10 μm ，划片 线宽 ≤ 0.03 mm，最大划片速度230 mm/s，可以满足半导体晶圆的划片需求，可以为进一步推广激光在全自动晶圆划片系统中的应用提供参考。 5 结束语 面对半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，晶圆直径不断增大，厚度越来越薄，单位面积上电路不断增加，划切道越来越小，砂轮划片机已无法完全满足需求。本文所述全自动激光晶圆划片机具有自动上下料系统和视觉对准系统，可实现多盘的全自动划切，大大提高了划片质量和效率，可以满足目前的晶圆生产需求。
Bootloader是一个用于引导嵌入式系统的软件程序，通常存储在芯片的非易失性存储器中，如闪存。Bootloader的主要功能是在系统上电后，负责初始化系统硬件并加载操作系统或应用程序到内存中执行。 下面是一个简要的介绍Bootloader的工作流程和主要功能： 硬件初始化：Bootloader首先负责初始化处理器、时钟、内存和外设等硬件资源，确保系统处于合适的状态以便后续的操作。 引导设备选择：Bootloader可能需要检测可用的引导设备，例如闪存、外部存储器或串口等，并选择其中一个作为加载操作系统或应用程序的来源。 加载操作系统或应用程序：Bootloader根据预定义的引导策略，从选定的引导设备中读取操作系统镜像或应用程序，并将其加载到内存中。 执行加载的程序：一旦程序加载到内存中，Bootloader会跳转到该程序的入口点，启动执行。对于操作系统，这意味着将控制权移交给操作系统内核，而对于应用程序，它将开始执行应用程序的主函数。 错误处理和回滚：Bootloader通常包含错误处理机制，以便在发生错误时执行相应的操作，例如跳转到备用引导设备或者恢复到出厂设置状态。 升级支持：一些Bootloader还提供了固件升级的支持，允许通过特定的接口或协议更新系统固件，而无需物理访问设备。 总的来说，Bootloader在嵌入式系统中扮演着关键的角色，负责启动和管理系统的引导过程，同时提供了灵活性和可靠性，以适应不同的应用需求。 当我面对一个有一定规模、 稍显复杂的嵌入式项目时, 我通常并不会直接专注于主要功能的实现, 而是会做一些磨刀不误砍柴工的工作———设计一个 Bootloader(以下简称 BL) 以及构建一个Shell 框架。可能有人会觉得它们很高深, 实则不难, 正所谓“会者不难, 难者不会”。 本章就针对 BL 进行详细的讲解, 希望让大家可以体会到它的重要性。 1. 烧录方式的更新迭代 1.1 古老的烧录方式 单片机诞生于20 世纪80 年代, 以51 为代表开始广泛应用于工业控制、 家电等很多行业中。起初对于单片机的烧录, 也就是将可执行的程序写入到其内部的 ROM 中, 这不是一件容易的事情, 而且成本不低, 因为需要依赖于专门的烧录设备。而且受到半导体技术与工艺的限制, 对于 ROM 的烧写大多需要高压。这种境况一直持续到2000 年左右( 我上大学的时候还曾用过这种专门的烧录器),： 1.2 ISP 与ICP 烧录方式 随着低压电可擦写 ROM 的成熟, 单片机开始集成可通过数字电平直接读写的存储介质。其最大的优势在于可实现在系统或在电路直接烧录程序, 而无须像以前一样把单片机芯片从电路中拿出来, 放到编程器上, 这种烧录方式就是ISP(In System Programming) 或ICP (In Circuit Programming), 如图7.2 所示。 有人问过这样一个问题:“ISP 和ICP 我都听说过, 都说是可以在电路板上直接烧录程序,而无须拿下芯片, 那ISP 和ICP 有什么区别?”从广义上来说, 两者没有区别, 平时我们把其意义混淆也毫无问题。非要刨根问底的话, 那可以这样来理解:ISP 要求单片机中驻留有专门的程序, 用以与上位机进行通信, 接收固件数据并烧录到自身的 ROM 中, 很显然ISP 的单片机是需要可运行的, 即要具备基本的最小系统电路(时钟和复位); 而ICP 可以理解为 MCU 就是一块可供外部读写的存储电路, 它不需要预置任何程序, 也不需要单片机芯片处于可运行的状态。 支持ISP 或ICP 的芯片, 以 AT89S51 最为经典, 当时从 AT89C51 换成 S51 , 多少人曾因此不再依赖烧录器而大呼爽哉。这种并口下载线非常流行, 如图7.3 所示, 网上还有各种ISP小软件, 可以说它降低了很多人入门单片机的门槛, 让单片机变得喜闻乐见。一台电脑、一个S51 最小系统板、 一条并口ISP 下载线, 齐了! 1.3 更方便的ISP 烧录方式 1. 串口ISP 但是后来我们发现带有并口的电脑越来越少。那是在2005 年前后,STC 单片机开始大量出现, 在功能上其实与S51 相差无几, 甚至比同期的一些高端51 单片机还要逊色。但是它凭借一个优势让人们对它爱不释手, 进一步降低了单片机的学习门槛。这个优势就是———串口ISP, 这是真正意义上的ISP, 如图7.4 和图7.5 所示。再后来,9 针串口都很少见了, 只有 USB。这促使一个烧录和调试神器炙手可热———USB-TTL 串口。这下232 转换芯片省掉了, 直接通过 USB 进行烧录。这种方式造福了无数的单片机学习者和工程师。我本人虽然已经搞了近20 年单片机和嵌入式, USB 串口依然是不可或缺的调试工具。 多年来, 在串口与单片机的交互上, 我动了很多脑筋, 这也是我乐于开发 Bootloader 的一个原因。我希望“USB 串口在手, 一切全有!” STC 并不是第一个使用串口ISP 烧录程序的, 但它是最成功和最深入人心的。与之同期的很多单片机, 包括时至今日仍然应用最广泛的 STM32 全系列也都支持了串口ISP, 它成了一种标配的、 非常普遍的程序烧录手段。 2. 各种 USBISP 串口ISP 固然方便, 但是下载速度是它的硬伤, 当固件体积比较大的时候, 比如一些大型嵌入式项目的固件动辄几百 KB, 甚至几 MB, 再用串口ISP 就未免太慢了。所以一些单片机配有专门的 USBISP 下载器。以下列举几种比较主流的单片机及其 USBISP 下载器。 (1) AVR AVR 单片机曾经盛极一时, 但经历了2016 年的缺芯风波之后, 加之 STM32 的冲击, 开始变得一蹶不振, 鲜有人用了。与之配套的 USBISP 下载器非常多样, 有些是官方发布的, 更多的是爱好者开源项目的成果, 如图7.6 所示。 (2) C8051F( 见图7.7) (3) MSP430( 见图7.8) 我们会发现, 一个具有良好生态的主流单片机, 一定有配套的高效便捷的烧录下载工具。可见一种好的烧录方式, 对单片机开发是多么重要。 不论是串口ISP 还是各种专用的ISP 下载器, 都有一些共同的弊端。 依赖于专门的上位机或下载器硬件, 不能做到统型; 下载器价格仍然比较高, 尤其是原厂的, 这也是为什么有些单片机催生出很多第三方的下载器, 比如 AVR; 下载的时候通常需要附加额外的操作, 比如 STC 要重新上电、STM32 需要设置BOOT 引脚电平等。 这些额外的操作都增加了烧录的复杂性。尤其是在产品形态下要去重新烧录程序, 比如嵌入式升级, 就要打开外壳, 或将附加信号引出到壳外。 这都是非常不高效, 不友好的做法。如果有一种烧录方法, 对于任何一种单片机: 通信方式统一(比如一律都用串口); 提供一个友好的操作界面(比如命令行方式); 高效快速, 没有附加操作, 最好一键自动化烧录; 另外再增加一些嵌入式固件管理的功能(比如固件版本管理)。 这一定会让我们事半功倍。Bootloader 就能实现上述的这一切! 2. 关于Bootloader 2.1 Bootloader 的基本形态 直接看图7.9: 可以看到 BL 就是一段存储在 ROM 中的程序, 它主要实现4 个功能: 通过某种途径获取要烧录的固件数据; 将固件数据写入到 ROM 的 APP 区中; 跳转到 APP 区运行, 将烧录进去的用户程序引导起来; 在此过程中, 提供必要而友好的人机交互界面。这么说可能不好理解, 我们还是通过实例来进行讲解。 2.2 Bootloader 的两个设计实例 下面的两个实例, 用于说明 BL 的实际应用形态, 不涉及具体的实现细节, 旨在让大家了解 BL 实际是如何运行的。 1. 带Shell 命令行的串口BL 基本的操作逻辑如下: 通过超级终端、SecureCRT 或 Xshell 之类的串口终端输入命令program; BL 接收到命令后, 开始等待接收固件文件数据; 串口终端通过某种文件数据传输协议将固件数据传给 BL; BL 将固件数据写入到 ROM 的 APP 区中; BL 将 APP 区中的程序引导运行起来。更具体的示意如图7.10 所示。这里把操作逻辑说得很简单, 实际实现起来却并不容易, 我们放在后面去细究其具体实现。 2. 插SD 卡即烧录的BL 基本的操作逻辑如下: 将待烧录的固件拷贝到SD 卡中; 将SD 卡插入到卡槽中; BL 检测到SD 卡插入, 搜索卡中 BIN 文件; 将 BIN 文件数据读出写入到 ROM 的 APP 区中; BL 将 APP 区中的程序引导运行起来。 如图7.11 所示。通过这两个设计实例, 大家应该已经了解BL 是什么了吧。有没有感受到BL 是比ISP 烧录器更通用、 更灵活、 更友好、 功能更强大的固件烧录和管理手段呢? 有人可能知道 Linux 下的 Uboot, 它就是一个强大的 BL, 它提供非常强大的刷机(烧录操作系统镜像) 的功能以及完备而灵活的Shell 界面, 如图7.12 所示。其实我们电脑的 BIOS 也是一种广义的 BL。 那如何实现一个 BL 呢? 别急, 要实现 BL 是需要满足一些基本要求的。 2.3 BL 实现的要点 首先要说, 并不是任何一个单片机都可以实现 BL 的, 要满足几个要点。 1. 芯片体系架构要支持 来看图7.13 。 我们知道单片机程序的最开头是中断向量表, 包含了程序栈顶地址以及 Reset 程序入口,通过它才能把程序运行起来。很显然在从 BL 向 APP 跳转的时候,APP 程序必须有自己的中断向量表。而且单片机体系架构上要允许中断向量表的重定向。 传统51 单片机的中断向量表只允许放到 ROM 开头, 而不能有偏移量, 所以传统51单片机是不能支持 BL 的。有人要问“你这不是自相矛盾吗? 你前面说 STC 的51 单片机是支持串口ISP 的, 那它应该内置有ISP 程序, 我理解它应该和BL 是一个道理。”没错, 它内置的ISP程序就是一种 BL。STC 之所以可以实现 BL 功能, 是因为宏晶半导体公司对它的硬件架构进行了改进, 请看图7.14 可以看到,STC51 单片机多出了一块专门存放 BL 的 ROM, 称为 BOOTROM。 网上有一位叫 shaoziyang 的网友为 AVR 单片机写了一个 BL, 还配套开发了 一 款 叫AVRUBD 的上位机, 如图7.15 (AVRUBD 是很有用的, 本章后面会介绍, 它可以让我们实现隔空烧录) 所示, 实现了 AVR 单片机的串口烧录, 让很多人摆脱了对 USBISP 之类ISP 下载器的依赖(虽然ISP 下载器已经很方便了, 但它毕竟还需要银子嘛)。 AVR 在硬件架构上与STC51 是一个套路, 如图7.16 所示。 通过配置 AVR 的熔丝位可以控制复位入口地址以及 BOOT 区的大小和开始地址, 如图7.17 所示。 讲到这里, 有人会说:“那有没有一种单片机, 程序放在 ROM 的任何位置都可以运行起来, 也就是中断向量表可以重定位?”当然有, 这种单片机还很多, 其中最典型的就是 STM32。它的程序之所以可以放之各地皆可运行, 是因为在它的 NVIC 控制器中提供了中断向量表偏移量的相关配置, 这个后面我们再详细说。 2. ROM 要支持IAP 这也是需要单片机硬件支持的。很好理解, 在 BL 获取到固件数据之后, 需要将它写入到ROM 的 APP 区中, 所以说单片机需要支持IAP 操作, 所谓IAP 就是 In Application Programming, 即在应用烧录。也就是在程序运行过程中, 可以对自身 ROM 进行擦除和编程操作 。 大家仔细想想是不是这样? 似乎支持串口ISP 的单片机都支持IAP 功能。STC 还把这一功能包装成了它的一大特色, 可以用内部 ROM 来充当 EEPROM 的功能, 可以在运行时记录一些掉电不丢失的参数信息。 STM32 的 ROM 擦写在配套的固件库(标准库或 HAL 库) 中已经有实现, 大家可以参考或直接使用。 3. APP 程序的配套修改 为了让 BL 可以顺利地将 APP 程序引导运行起来, APP 程序在开发的时候需要配合 BL做出相应的修改。最重要的就是 APP 程序的开始地址(即中断向量表的开始地址) 以及对中断控制器的相应配置。 对于51 、AVR 这类单片机 APP 程序不用修改, 具体原因大家应该明白。这里主要对STM32 APP 程序如何修改进行详细讲解。 我们依然是结合实例, 如图7.18 所示。 假设我们所使用的STM32 的 ROM 总大小为128KB,BL 程序的体积是16KB,APP 程序紧邻 BL, 那么 APP 区的开始地址为0X08004000, 也就是 APP 程序的中断向量表偏移地址为0X4000。 如果我们使用 MDK 作为开发环境的话, 需要修改这里, 如图7.19 所示。 而如果我们使用的是gcc 的话, 则需要对link.ld 链接文件进行修改, 如图7.20 所示。 然后我们还需要对 NVIC 的中断向量表相关参数进行配置, 主要是中断向量表的偏移量,如下代码: #define VECT_TAB_OFFSET 0x4000 OK, 经过修改后的程序, 我们把它放到 ROM 的0X08004000 开始地址上, 然后再让 BL跳转到这个地址, 我们的程序就能运行起来了。 有人又会问:“BL 中的跳转代码怎么写?”别急, 这是我们要讲的下一个要点 4. BL 中的跳转代码 跳转代码是 BL 要点中的关键, 直接关系到 APP 程序能否正常运行, 如图7.21 所示。我直接给出STM32 的 jump _app 函数代码。 typedef void ( * iapfun)(void); iapfun jump2app; void MSR_MSP(u32 addr) { __ASM volatile("MSR MSP, r0" ); //set Main Stack value __ASM volatile("BX r14" ); } void load_app(u32 appxaddr) { if((( * (vu32* )appxaddr)&0x2FFE0000) ==0x20000000) //检查栈顶地址合法 { //用户代码区第二个字为程序开始地址(复位地址) jump2app= (iapfun) * (vu32* )(appxaddr+4); //初始化APP 堆栈指针(用户代码区的第一个字用于存放栈顶地址) MSR_MSP( * (vu32* )appxaddr); jump2app(); //跳转到APP. } } 这段代码大家自行研究, 如果展开讲就属于赘述了。到这里 BL 相关的要点就介绍完了, 大家应该有能力去完成一个简单的 BL 了。我基于STM32 设计了一个小实验, 大家有兴趣可以小试牛刀一下, 如图7.22 所示。 我们将 BL 程序用Jlink 烧录到0X08000000 位置, 而把 APP 程序烧录到0X08002000 开始位置, 然后复位, 如果串口打印了hello world 或流水灯亮起来了, 就说明我们的BL 成功了。 3. 把Bootloader 玩出花 上面我所讲的都是 BL 最基础的一些内容, 是我们实现 BL 所必须了解的。BL 真正的亮点在于多种多样的固件数据获取方式。 3.1 BL 的实现与延伸(串口传输固件) 前面我讲到过两个 BL 应用的实例, 一个是串口传输固件文件, 一个是 SD 卡拷贝固件文件。它们是在实际工程中经常被用到的两种 BL 形式。 这里着重对前一个实例的实现细节进行讲解剖析, 因为它非常具有典型意义, 如图7.23 所示。 这个流程图提出了3 个问题: 串口通信协议是如何实现的? 为什么获取到上位机传来的固件数据,不是直接写入到 APP 区,而是先暂存,还要校验? 对固件数据是如何实现校验的? 串口通信协议以及文件传输实现的相关内容略显繁杂, 在本书《 大话文件传输》一章中会专门进行讲解。 第二个问题: 经过串口传输最终由单片机接收到的固件数据是可能出现差错的, 而有错误的固件冒然直接写入到 APP 区, 是一定运行不起来的。所以, 我们要对数据各帧进行暂存, 等全部传输完成后, 对其进行整体校验, 以保证固件数据的绝对正确。 针对第三个问题, 我们要着重探讨一下。 一个文件从发送方传输到接收方, 如何确定它是否存在错误? 通常的做法在文件中加入校验码, 接收方对数据按照相同的校验码计算方法计算得到校验码, 将之与文件中的校验码进行对比, 一致则说明传输无误, 如图7.24 所示。 图7.24 是对固件文件的补齐以及追加校验码的示意。为什么要对文件补齐? 嵌入式程序经过交叉编译生成的可烧录文件, 比如 BIN, 多数情况下都不是128、256 、512 或1024 的整数倍。这就会导致在传输的时候, 最后一帧数据的长度不足整帧, 就会产生一个数据尾巴。取整补齐是解决数据尾巴最直接的方法。这一操作是在上位机上完成的, 通常是编写一个小软件来实现。这个小软件同时会将校验码追加到固件文件末尾。这个校验码可以使用校验和(CheckSum) 或者 CRC, 一般是16 位或32 位, 如图7.25 所示。 又有人会问:“要把整个固件暂存下来, 再作校验, 那得需要额外的存 储 空 间 吧, 外 扩ROM(FlashROM 或 EEPROM)?”是的。如果想节省成本, 我们也可以不暂存, 传输时直接烧写到 APP 区。这是有风险的, 但是一般来说问题不大(STC 和 STM32 的串口ISP 其实也都是实时烧写, 并不暂存)。因为在传输的过程中, 传输协议对数据的正确性是有一定保障的, 它会对每一帧数据进行校验, 失败的话会有重传, 连续失败可能会直接终止传输。所以说, 一般只要传输能够完成, 基本上数据正确性不会有问题。但是仍然建议对固件进行整体校验, 在成本允许的情况下适当扩大 ROM 容量。同时, 固件暂存还有一个另外的好处, 在 APP 区中的固件受到损坏的时候, 比如固件意外丢失或IAP 时不小心擦除了 APP 区, 此时我们还可以从暂存固件恢复回来(完备的 BL 会包含固件恢复的功能)。 其实也不必非要外扩 ROM, 如果固件体积比较小的话, 我们可以把单片机的片上 ROM砍成两半来用, 用后一半来作固件暂存。 如图7.26 所示, 我们将片上 ROM 划分为3 部分, 分别用于存储 BL、APP 固件以及暂存固件。比如 我 们 使 用 STM32F103RBT6 , 它 一 共 有 128 KB 的 ROM, 可 以 划 分 为 16 KB/ 56 KB/56 KB。 有些 产 品 对 成 本 极 为 敏 感。我 就 有 过 这 样 的 开 发 经 历, 当 时 使 用 的 单 片 机 是STM32F103C8T6 , 片上 ROM 总容量为64 KB, 固件大小为48 KB,BL 为12 KB。在通过BL进行固件烧写时根本没有多余的 ROM 进行固件暂存。我使用了一招“狗尾续貂”, 如图7.27所示。 我无意中了解到 STM32F103C8T6 与 RBT6 的晶元是同一个。只 是 因 为 有 些 芯 片 后64 KB 的 ROM 性能不佳或有瑕疵, 而被限制使用了。我实际测试了一下, 确实如此。但是后64 KB ROM 的使用是有前提的, 也就是需要事先对其好坏进行验证。如果是好的, 则暂存校验, 再写入 APP 区; 而如果是坏的, 那么就直接在固件传输时实时写入 APP 区(这个办法我屡试不爽, 还没有发现后64KB 有坏的)。 以上所介绍的是一种“骚操作”, 根本上还是有一定的风险的,ST 官方有声明过, 对后64K ROM 的质量不作保证, 所以还是要慎用。 3.2 10 米之内隔空烧录 OTA (On the Air) 这个“隔空烧录”源于我的一个IoT 项目, 它是对空调的外机进行工况监测。大家知道,空调外机的安装那可不是一般人能干的, 它要不就在楼顶, 要不就在悬窗上。这给硬件升级嵌入式程序带来很大的困难。所以, 我实现了“隔空烧录”的功能, 其实它就是串口 BL 应用的一个延伸, 如图7.28 所示。 “隔空烧录确实牛, 但是总要抱着一个电脑, 这不太方便吧。”确实是! 还记得前面我提过的 AVRUBD 通信协议吗? (详见“大话文件传输”一章) 它的上位机软件是有手机版的。这样我们只要有手机, 就能“隔空烧录”了, 如图7.29 所示。 “哪个 APP? 快告诉我名字”, 别急, 蓝牙串口助手安卓版, 图 7.30 是正在传输固件的界面。 AVRUBD 其实是对 Xmodem 协议的改进, 这个我们放在专门的章节进行详细讲解。 3.3 BL 的分散烧录 我们知道 BL 的核心功能其实就是程序烧录。那你有没有遇到过比较复杂的情况, 如图7.31 所示。 这种情况是有可能遇到的。主 MCU+CPLD+ 通信协处理器+ 采集协处理器就是典型的复杂系统架构。这种产品在批量生产阶段, 烧录程序是非常烦琐的。首先需要维护多个固件, 再就是需要一个个给每一个部件进行烧写, 烧写方式可能还不尽相同。所以我引入了一个机制, 叫“BL 的分散烧录”。 首先我们将所有的固件拼装成一个大固件(依次数据拼接), 并将这个大固件预先批量烧录到外扩 ROM 中, 比如spiFlash; 再将主 MCU 预先烧录好 BL; 然后进行SMT 焊接。PCBA生产出来之后, 只要一上测试工装(首次上电),BL 会去外扩 ROM 中读取大固件, 并从中分离出各个小固件, 分别以相应的接口烧录到各个部件中去。配合工装的测试命令, 直接进行自检。这样做, 批量化生产是非常高效的。当然, 这个 BL 开发起来也会有一定难度, 最大问题可能还是各个部件烧录接口的实现( 有些部件的烧录协 议 是 比 较 复 杂 的, 比 如 STM32 的SWD 或者 ESP8266 的SLIP)。 OK, 上面对一些 BL 实例的实现和应用场景进行了介绍。还有一些实例没有介绍, 比如通过 CAN 总线或SPI 进行文件传输, 这个我们还是放到专门的章节去详细讲解。当然, 各位读者可以在此基础上衍生出更多有特色而又实用的 BL 来。 BL 没有最好的, 只有最适合自己的。通常来说, 我们并不会把 BL 设计得非常复杂, 原则上它应该尽量短小精炼, 以便为 APP 区节省出更多的 ROM 空间。毕竟不能喧宾夺主, APP才是产品的主角。 4. 不走寻常路的BL 4.1 Bootpatcher 我来问大家一个问题:“Bootloader 在 ROM 中的位置一定是在 APP 区前面吗?”很显然不是,AVR 就是最好的例子。那如果我们限定是STM32 呢? 似乎是的。上电复位一定是从0X08000000 位置开始运行的, 而且 BL 一定是先于 APP 运行的。 在某些特殊的情况下, 如果 APP 必须要放在0X08000000 位置上的话, 请问还有办法实现 BL 串口烧录吗? 要知道 APP 在运行的时候, 是不能IAP 自己的程序存储器的(就是自己不能擦除自己来烧录新固件), 如图7.32 所示。 APP 运行时, 想要重新烧录自身, 它可以直接跳转到后面的BL 上,BL 运行起来之后开始接收固件文件, 暂存校验 OK 之后, 将固件写入到前面的 APP 区。然后跳转到0X08000000, 或者直接重启。这样新的 APP 就运行起来了。这个位于 APP 后面的 BL, 我们称之为 Bootpatcher(意为启动补丁)。但是这种做法是有风险的, 一旦 APP 区烧录失败, 那产品就变砖了。所以这种方法一般不用。 4.2 APP 反烧BL 前面我们都是在讲 BL 烧录 APP, 那如果 BL 需要升级怎么办呢? 用JLINK。不错, 不过有更直接的方法, 如图7.33 所示。 这是一种逆向思维, 我们在 APP 程序中也实现接收固件文件, 暂存校验, 然后将其烧录到BL 区。这种做法与 Bootpatcher 同理, 也是有一定风险的, 但一般都没有问题。
为了将PWM信号转成直流，需要利用低通滤波器滤除PWM信号中的高次谐波信号。 多阶RC低通滤波是一种比较常用的方法，如下图的二阶RC滤波电路： 用于PWM转直流的二阶RC滤波电路 拉普拉斯变换 单位阶跃信号定义为： 单位阶跃信号 其拉普拉斯变换定义为： 单位阶跃信号的拉普拉斯变换 如果PWM信号的高电平为VH，当输出高电平时，输出信号的拉普拉斯变换为： 电容C3，C4在频域下的阻抗分别为以及,得到频域下的等效电路和参数： 频率下的电路和参数 Octave符号运算 当输入信号时，根据频域下的电路，可以计算出电容C4两端的电压。 涉及到分式多项式的运算，运算量大，容易算错。 可以使用Octave的符号运算快速得到结果。 Symbolic符号运算包需要用到Python的SymPy库。 在Octave的命令行窗口，运行pkg install -forge symbolic，下载symbolic符号运算包， 再运行pkg load symbolic，加载symbolic符号运算包。 运行以下脚本： syms R3 R4 C3 C4 s VH ZC4=1/(C4*s);%电容C4的阻抗 ZC3=1/(C3*s);%电容C3的阻抗 Z1=R4+ZC4;%Z1为R4与C4串联 Z2=ZC3*Z1/(ZC3+Z1);%Z2为C3与Z1并联 Vo=VH/s*Z2/(Z2+R3)*ZC4/Z1;%C4两端的电压为Z2与R3分压之后，再由C4与R4分压 simplify(Vo)%化简符号表达式 Octave符号运行过程 得到电容C4两端电压Vo(s)为： （式1） 拉普拉斯逆变换 假设分别为方程 的两个根， 则根据韦达定理，有： 而可以表示为： 对于形如的多项式， 可以转换为： 左右两边同时乘以s,得到， 在上式中，令s=0，得到： 左右两边同时乘以之后，令,得到： 同样得到， 所以， 根据拉普拉斯的逆变换， 常见的拉普拉斯变换对 得到，C4两端的电压在时域的表达式为： （式2） PWM输出直流的纹波分析 当R3=R4=10kΩ，C3=C4=1uF时， 分别是以下方程的两个根， 的两个根， 根据求根公式，得到, 的两个根， 假设， 当PWM的频率为800Hz时，占空比为100%时，充电的最长时间为1.25ms， 此时，最大为-38.2*1.25ms=-0.04775<1， 而最大为-261.8*1.25ms=-0.32725<1， 常见函数的泰勒公式展开 将函数，用泰勒公式展开，并保留至第二项； 得到： ， ， 代入式2，得到： （式3） 当考虑PWM输出一段时间之后，PWM在切换到高电平的瞬间，电容C4已经有一定的电压U0，则式1应该加到电容C4的初始电压，再经过拉普拉斯逆变换，得到， --对于电容初始电压不为0的情况，此处分析有误，在另一篇文章的再做详细分析。 充电波形 当高电平为5V，占空比为50%时，纹波大小为：
在工业自动化领域，变频器作为电机控制的核心设备，其选型直接关系到系统的稳定性和运行效率。然而，面对琳琅满目的变频器型号和复杂的负载类型，你是否也曾感到无从下手？今天，我们就来一场深度剖析，带你轻松区分轻载与重载，精准选型，让变频器成为你生产线上的得力助手！ 轻载与重载，你真的了解吗？ 想象一下，你的生产线上一台离心式风机正平稳运行，而另一边的起重机却正费力地起吊重物。这两者的负载特性截然不同，一个轻盈如风，一个力大无穷。这就是轻载与重载最直观的体现。那么，如何根据负载类型选择合适的变频器呢？接着往下看！ 轻载篇：轻松应对，稳中求胜 轻载设备，如离心式风机、水泵等，它们的转矩需求小，负载变化平稳。这类设备启动平稳，对变频器的启动转矩要求不高，工作电流通常接近或低于额定电流的50%。因此，在选择变频器时，只需按照电机的额定功率来匹配即可，无需额外加大变频器的容量。 思考：你的生产线上有哪些轻载设备？它们对变频器的需求有哪些共同点？ 小贴士：对于轻载设备，选择变频器时注重稳定性与经济性，确保设备在长时间运行中保持高效、节能。 重载篇：力挽狂澜，稳操胜券 重载设备，如起重机、轧钢机等，它们的转矩需求大，且可能出现频繁的过载情况。这类设备启动时需要较大的转矩，运行过程中负载波动大，对变频器的过载能力提出了更高要求。因此，在选择变频器时，需要考虑电机额定电流的1.5倍甚至更高，以确保在各种工况下都能稳定运行。 你的生产线上是否有重载设备？它们对变频器的过载能力有哪些具体需求？ 小贴士：对于重载设备，选择变频器时注重过载能力和稳定性，确保设备在恶劣工况下也能保持强劲动力。 选型秘籍：轻载VS重载，这样选才对！ 轻载设备：按照电机额定功率匹配变频器，无需额外加大容量。 重载设备：考虑电机额定电流的1.5倍甚至更高，选择具备较强过载能力的变频器。 选型举例：传送带电机的变频器选型 问题：额定电压380V、功率5.5kW、电流11.6A的传送带电机，无过载情况，如何选配功率模块？ 解答：传送带属于恒转矩负载，应按照重载的功率（HO）来选择变频器。根据样本D31.3，可以选择型号为6SL3210-1PE21-8UL0（未集成滤波器）PM240-2的功率模块来驱动该电机。这样既能满足传送带的稳定运行需求，又能确保变频器在各种工况下的稳定性。 结语：选型有道，让变频器成为你的得力助手！ 掌握了轻载与重载的区分方法以及相应的变频器选型秘籍，相信你在未来的选型过程中将更加游刃有余。记住，选型有道，才能让变频器真正成为你生产线上的得力助手！ 号召大家：现在就开始检查你的生产线，根据负载类型选择合适的变频器吧！让设备更加高效、节能地运行！
在现代电池应用的广阔领域中，电池管理系统（Battery Management System，简称 BMS）发挥着至关重要的作用。从电动汽车到便携式电子设备，从大规模储能电站到各类工业应用，BMS 的身影无处不在，它全方位地呵护着电池的健康，确保电池系统高效、安全且稳定地运行。下面，我们将深入剖析电池管理系统的各个方面。 一、BMS 的定义 电池管理系统是一种用于监控、管理和保护电池系统的电子装置。它通过实时采集电池的各项参数，如电压、电流、温度等，并依据这些参数进行精确的分析和计算，进而对电池系统实施有效的控制和管理。其核心目标在于确保电池在各种复杂的工作条件下，始终处于最佳的工作状态，最大限度地发挥电池的性能优势，同时有效延长电池的使用寿命，保障电池使用过程中的安全性。简单来说，BMS 就是电池系统的 “智慧大脑”，负责协调电池系统内各个部分的工作，使其发挥出最佳效能。 二、BMS 的功能 （一）电池状态监测 电压监测：精确监测电池组中每一个单体电池的电压，以及整个电池组的总电压。通过对电压的实时监测，BMS 能够判断电池的充电状态（SOC）、健康状态（SOH）等关键信息。例如，当单体电池电压过高或过低时，可能意味着电池存在过充、过放或其他故障问题，BMS 会及时发出警报并采取相应措施。 电流监测：准确测量电池充放电过程中的电流大小和方向。电流数据对于计算电池的充放电量、评估电池的功率输出能力以及监测电池的工作状态至关重要。通过监测电流，BMS 可以实时掌握电池的能量流动情况，防止过大的充放电电流对电池造成损害。 温度监测：实时监测电池的温度分布，由于电池在充放电过程中会产生热量，温度过高或过低都会对电池的性能和寿命产生严重影响。BMS 通过在电池组中布置多个温度传感器，精确感知各个部位的温度变化，一旦发现温度异常，便会启动散热或加热装置，将电池温度控制在适宜的范围内。 （二）电池保护 过充保护：当电池充电达到满电状态时，BMS 会及时切断充电电路，防止电池过充。过充可能导致电池内部压力升高、电解液分解、甚至引发起火爆炸等严重安全事故。BMS 通过监测电池电压和充电电流等参数，精确判断电池的充电状态，一旦检测到过充迹象，立即采取保护措施，确保电池安全。 过放保护：在电池放电过程中，BMS 会实时监测电池电压，当电压降至设定的最低保护值时，BMS 会自动切断放电电路，避免电池过度放电。过度放电会导致电池容量永久性损失，缩短电池使用寿命，BMS 的过放保护功能能够有效防止这种情况发生。 过流保护：当电池充放电电流超过允许的最大值时，BMS 会迅速切断电路，以防止过大的电流对电池造成热失控、电极材料损坏等问题。过流保护功能能够在瞬间响应，保护电池免受异常电流的冲击。 过热保护：如前文所述，电池温度过高会严重影响其性能和安全性。当 BMS 监测到电池温度超过安全阈值时，会立即启动散热风扇、水冷系统等散热装置，或者降低充放电电流，减少电池产热，确保电池温度在安全范围内。 （三）电池均衡管理 在电池组中，由于单体电池在制造工艺、材料特性等方面存在细微差异，长时间使用后，各单体电池之间会出现容量、电压等不一致的情况，即所谓的 “不均衡” 现象。这种不均衡会导致部分电池过度充放电，从而加速整个电池组的老化和性能衰退。BMS 的均衡管理功能旨在通过主动或被动的方式，使电池组中各个单体电池的电量保持一致，提高电池组的整体性能和使用寿命。 主动均衡：主动均衡是指通过能量转移的方式，将电量较高的单体电池中的能量转移到电量较低的单体电池中，使各单体电池的电量趋于一致。常见的主动均衡方法包括电容均衡、电感均衡和 DC - DC 变换器均衡等。主动均衡能够快速、有效地实现电池均衡，尤其适用于对电池性能要求较高的应用场景。 被动均衡：被动均衡则是通过在单体电池上并联电阻等耗能元件，当某个单体电池电压高于其他电池时，通过电阻将多余的能量以发热的形式消耗掉，从而实现电池均衡。被动均衡方法简单、成本较低，但存在能量浪费的问题，均衡速度相对较慢。 （四）电池状态估计 剩余电量（SOC）估计：准确估计电池的剩余电量对于用户合理使用电池设备至关重要。BMS 通过多种算法，如安时积分法、开路电压法、卡尔曼滤波法等，综合考虑电池的电压、电流、温度等参数，对电池的剩余电量进行精确估算。SOC 估计的准确性直接影响用户对设备续航能力的判断，BMS 会不断优化算法，提高 SOC 估计的精度。 健康状态（SOH）估计：SOH 反映了电池的老化程度和性能衰退情况。BMS 通过监测电池的内阻变化、容量衰减等指标，结合数学模型和算法，对电池的 SOH 进行评估。准确的 SOH 估计有助于用户及时了解电池的健康状况，提前做好电池更换或维护计划，避免因电池故障导致设备无法正常使用。 三、BMS 的组成部分 （一）硬件部分 主控单元（MCU）：作为 BMS 的核心处理器，主控单元负责接收来自各个传感器的数据，进行数据处理和分析，并根据预设的算法和策略，发出相应的控制指令。它具备强大的运算能力和数据处理速度，能够快速响应电池系统的各种变化，确保 BMS 的高效运行。 电压采样电路：用于采集电池单体和电池组的电压信号。电压采样电路需要具备高精度、高可靠性和良好的抗干扰能力，以确保采集到的电压数据准确无误。通常采用专用的电压采样芯片或模块，通过分压、滤波等处理后，将电压信号传输给主控单元。 电流采样电路：负责测量电池充放电电流。电流采样电路一般采用霍尔电流传感器、分流器等元件，将电流信号转换为电压信号，经过放大、滤波等处理后，输入到主控单元进行分析和计算。准确的电流测量对于电池状态监测和保护功能的实现至关重要。 温度采样电路：通过温度传感器（如热敏电阻、热电偶等）采集电池的温度信息。温度采样电路将温度传感器输出的信号进行调理和转换，使其符合主控单元的输入要求。由于电池组不同部位的温度可能存在差异，通常需要在多个关键位置布置温度传感器，以全面监测电池的温度分布。 通信接口电路：BMS 需要与外部设备（如整车控制器、充电设备、上位机等）进行数据通信，以实现信息交互和协同控制。常见的通信接口包括 CAN 总线、LIN 总线、RS485 等。通信接口电路负责将主控单元的数据进行编码和转换，通过相应的通信协议与外部设备进行数据传输。 保护电路：包括过压保护、过流保护、欠压保护等电路，用于保护 BMS 硬件本身以及电池系统免受异常电压、电流的损害。当检测到异常情况时，保护电路会迅速动作，切断相关电路，防止硬件损坏和安全事故发生。 （二）软件部分 数据采集与处理程序：负责控制硬件电路实时采集电池的电压、电流、温度等数据，并对采集到的数据进行滤波、校准、存储等处理。数据采集与处理程序需要具备高效、准确的特点，确保数据的可靠性和及时性。 电池状态估计算法：如前文所述，包括 SOC、SOH 等估计算法。这些算法是 BMS 软件的核心部分，通过对采集到的数据进行分析和计算，精确估计电池的状态。算法的优劣直接影响 BMS 的性能和精度，研发人员不断优化和改进算法，以提高电池状态估计的准确性。 保护控制策略程序：根据电池的状态信息，依据预设的保护规则和策略，生成相应的控制指令，实现过充、过放、过流、过热等保护功能。保护控制策略程序需要具备快速响应、可靠性高的特点，确保在异常情况下能够及时有效地保护电池系统。 均衡控制程序：负责实现电池均衡管理功能，根据电池的不均衡情况，控制主动或被动均衡电路的工作，使电池组中各单体电池的电量趋于一致。均衡控制程序需要根据不同的均衡方式和电池特性，采用合适的控制算法，提高均衡效率和效果。 通信协议栈程序：实现与外部设备通信所需的各种通信协议，如 CAN 通信协议、LIN 通信协议等。通信协议栈程序负责数据的打包、解包、发送和接收，确保 BMS 与外部设备之间的数据通信稳定、可靠。 四、BMS 的工作原理 BMS 的工作过程可以简单概括为数据采集、数据分析与处理、控制决策与执行三个主要环节。 数据采集：电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路实时采集电池的电压、电流和温度等参数，并将这些模拟信号转换为数字信号，传输给主控单元。 数据分析与处理：主控单元接收到传感器采集的数据后，首先对数据进行滤波处理，去除噪声干扰，然后根据预设的算法和模型，对电池的状态进行分析和计算，如估算 SOC、SOH 等。同时，主控单元还会将当前电池的状态数据与预设的安全阈值进行比较，判断电池是否处于正常工作状态。 控制决策与执行：当主控单元判断电池出现异常情况（如过充、过放、过流、过热等）时，会根据预设的保护控制策略，立即发出相应的控制指令，通过驱动电路控制保护电路动作，切断充放电回路，或者启动散热、均衡等装置，对电池进行保护和管理。在正常工作情况下，BMS 也会根据电池的状态信息，对充电设备或负载进行合理的控制，优化电池的充放电过程，提高电池的使用效率和寿命。 五、BMS 的技术发展趋势 （一）高精度的电池状态估计技术 随着对电池性能要求的不断提高，研发更加精确的电池状态估计技术成为 BMS 的重要发展趋势。未来，BMS 将结合更多的传感器数据和先进的算法，如机器学习、深度学习算法等，对电池的 SOC、SOH 等状态进行更准确的估计，为用户提供更可靠的电池信息。 （二）高效的电池均衡技术 为了进一步提高电池组的性能和寿命，开发更高效、快速且节能的电池均衡技术是关键。新型的主动均衡技术，如基于无线能量传输的均衡技术、多端口 DC - DC 变换器均衡技术等，将逐渐得到应用和推广，以实现电池组中各单体电池的精准均衡。 （三）高可靠性和安全性设计 在电动汽车、储能电站等对安全性要求极高的应用场景中，BMS 的可靠性和安全性至关重要。未来，BMS 将采用冗余设计、故障诊断与容错控制等技术，提高系统的可靠性和安全性，降低电池系统发生故障的风险。同时，加强对电池系统的热管理和安全防护设计，确保在极端情况下电池系统的安全运行。 （四）智能化与网络化发展 随着物联网、大数据、云计算等技术的发展，BMS 将向智能化和网络化方向迈进。通过与互联网连接，BMS 可以实现远程监控、诊断和管理，用户可以随时随地通过手机、电脑等终端设备获取电池的状态信息，并对电池进行远程控制。同时，BMS 还可以将大量的电池运行数据上传至云端，通过大数据分析挖掘潜在的价值，为电池的优化设计、维护管理提供依据。 六、BMS 在不同领域的应用 （一）电动汽车领域 在电动汽车中，BMS 是确保车辆安全、高效运行的核心部件之一。它不仅能够实时监测电池的状态，保护电池免受过度充放电和过热等损害，还能通过优化电池的充放电过程，提高电池的使用效率和续航里程。此外，BMS 还与整车控制器进行通信，协调车辆的动力输出和能量回收等功能，提升电动汽车的整体性能。 （二）储能领域 在储能系统中，无论是电网储能、可再生能源储能还是家庭储能，BMS 都起着至关重要的作用。它能够对储能电池进行有效的管理和保护，确保电池在频繁的充放电循环中保持良好的性能和寿命。同时，BMS 还可以根据电网的需求和储能电池的状态，实现储能系统的优化调度和控制，提高储能系统的经济性和可靠性。 （三）便携式电子设备领域 对于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等便携式电子设备，BMS 虽然相对简单，但同样不可或缺。它可以监测电池的状态，提供准确的电量显示，防止电池过充过放，延长电池的使用寿命，为用户提供更好的使用体验。 综上所述，电池管理系统作为电池系统的核心组成部分，在保障电池安全、提高电池性能和延长电池寿命等方面发挥着不可替代的作用。随着新能源技术的不断发展和应用领域的不断拓展，BMS 的技术水平也在不断提升，其功能将更加完善，性能将更加卓越，为推动新能源产业的发展和实现能源的可持续利用提供有力支持。
由于关乎车辆的性能和成本，汽车零部件的集成化、标准化一直是业界努力的方向，要实现快速的产品迭代和平台化应用，标准化和集成化都是两大利器。所谓集成化，就是对原本分立的系统进行集成，从而使得汽车相关组件数量精简，体积变小，质量变轻，效率提升。比如比亚迪基于“e 平台”打造的电动汽车，正是通过高度集成、一体控制，实现了整车重量的减轻、整车布局的优化，能耗效率的提升和可靠性的提高，最终加速推动电动汽车的普及。 高压充配电总成三合一一般包括车载充电机（OBC）、高压配电盒（PDU）以及DC-DC转换器。有些充配电总成还会在三合一的基础之上再集成双向交流逆变式电机控制器(VTOG)，也就是俗称的四合一。 一.车载充电机的组成和原理 车载充电机内部可分为主电路、控制电路、线束及标准件三部分。主电路前端将交流电转换为恒定电压的直流电，主电路后端为DC/DC变换器，将前端转出的直流高压电变换为合适的电压及电流供给动力蓄电池。 车载充电机控制电路具有控制场效应管开关，它与BMS之间进行通信，监测充电机工作状态以及与充电桩握手等。线束及标准件用于主电路与控制电路的连接，固定元器件及电路板。车载充电机工作原理如图所示。 转化原理:220Vac经过EMI滤波电路滤波，通过一次AC-DC转换器整流，将AC整流为DC，后经PFC功率因数校准电路进行升压，再送往开关和变压器变频升压，经过LLC过第二次整流滤波后输出高压直流给动力电池充电（第一次220Vac整流到310Vdc，电压不够，要升压转化两次） 二.高压配电盒 电动汽车高压配电箱(PDU)又称为高压配电盒，是高压系统分配单元。电动汽车具有高电压和大电流的特点，通常配备300V以上的高压系统，工作电可达200A以上，可能危及人身安全和高压零部件的使用安全性。因此，在设计和规划高压动力系统时，不仅要充分满足整车动力驱动要求，还要确保汽车运行安全、驾乘人员安全和汽车运行环境安全。 新能源汽车通常在大功率的电力环境下运行，有的电压高达700V以上，电流高达400A，对高压配电系统的设计及零部件的选用提出了巨大的挑战。高压电源通过高压电缆直接进入高压控制盒后根据各车型系统的需要分配到系统高压电气部件，并且需要保证整个高压系统及各高压电器设备的安全性、绝缘性、电磁干扰屏蔽性等要求。 三.DC-DC转换器 1.功能 (1)驱动直流电机在小功率直流电机驱动的转向、制动等辅助系统中，一般直接采用DC/DC电源变换器供电。 (2)向低压设备供电向电动汽车中的各种低压设备如车灯等供电。 (3)给低压蓄电池充电在电动汽车中，需要高压电源通过降压型 DC/DC转换器给低压蓄电池充电，将动力电池的400V/800V的高压直流电转化为12V低压直流电给低压蓄电池充电。 (4)不同电源之间的特性匹配以燃料电池电动汽车为例，一般采用燃料电池组和动力电池的混合动力系统结构。在能量混合型系统中，采用升压型DC/DC 转换器;在功率混合型系统中，采用双向型DC/DC 转换器。 2.工作原理 3.工作原理简图 4.转换器内部 5.工作条件及判断 工作条件: (1)高压输入范围为DC290~420V (2)低压输入范围为DC9~14V 判断DC/DC是否工作的方法 第一步，保证整车线束正常连接的情况下，上电前使用万用表测量铅酸蓄电池端电压，并记录 第二步，打开到“on档”整车上电，继续读取万用表数值，查看变化情况，如果数值在13.8~14V之间，判断为DC工作 四.双向交流逆变式电机控制器 该控制器为电压型逆变器，利用IGBT将直流电转化成交流电，其主要功能是通过收集挡位信号、加速踏板信号、制动踏板信号等来控制电机，根据不同工况控制电机的正反转、功率、扭矩、转速等，即控制电机的前进、倒退、维持车辆的正常运转。此外，还具备充电控制功能，能进行交直流转换，双向充放电控制，它主要负责充电功率大于3.3KW的交流电（含单相和三相交流电）转换为高压直流电为动力蓄电池充电。该控制器总成分为上、中、下3个单元，上、下层为电机控制单元和充电控制单元，中间层为水道冷却单元。
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