fpga的锂电池状态监测系统设计(附件)
随着社会信息化程度的不断提升，电子产品已经走进每个现代人的生活，人们对电子产品的性能有着越来越高的要求，电源正是其中一个很关键的方面。目前市面上的大部分电子产品都使用了锂电池，不过锂电池对于自身的电压、电流、温度等参数非常的敏感，这些因素都会对锂电池的安全性和使用寿命造成影响，因为锂电池不可能是完全相同的，所以需要对锂电池组内部参数进行监测。FPGA具有系统灵活、速度较快的特性，所以很适合用来实现对锂电池使用过程中的数据监测，这样才能在危险发生之前实施保护措施。系统主要是对电路中的电压、电流、温度等参数进行采集，当数值超过安全范围时启动保护机制，于屏幕上显示报警信息以及开启报警灯。基于FPGA的锂电池状态监测系统肯定会在现在的电池检测领域中得到广泛应用。关键词 电池状态监测系统，电池保护，FPGA，A/D转换
目录
1 引言 1
1.1 锂电池原理 1
1.2 锂电池的性能参数和特点 2
1.3 电池能量监测系统对电池组的作用 3
1.4 锂电池保护研究现状 4
1.5 设计方案 4
2 FPGA介绍与使用 4
2.1 FPGA简介 5
2.2 FPGA的结构和原理 5
2.3 FPGA芯片选择 5
2.4 FPGA开发工具 6
2.5 FPGA设计流程 6
2.6 实际操作过程 7
3 方案选型与硬件设计 10
3.1 FPGA选型 10
3.2显示屏选型 14
3.3 ADC选型 14
3.4 温度传感器选型 15
3.5 UART通信CP2102模块 16
3.6 FPGA引脚约束 17
3.7 系统硬件框图 18
4 Quartus下模块设计及调试 18
4.1 Quartus开发环境 18
4.2 系统软件框图 19
4.3 系统RTL图 20
4.4 TLC2543电压采集模块 21
4.5 DTH11温度采集模块 22
4.6 报警模块 23
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4.7 LCD12864显示模块 24
4.8 UART串口通信模块 25
4.9 FPGA资源使用报告 26
5 实物展示 27
5.1 系统上电 27
5.2 功能测试 28
5.3 上位机串口测试 33
结 论 35
致 谢 36
附 录 39
1 引言
伴随着电子工业的蓬勃发展，人们对新电子产品的性能要求都高了许多，特别是在电源续航方面，要求体现在电源的体积和质量要尽量小，而电源的能量密度又要尽可能高，电源的使用寿命以及使用时的安全性要高。考虑到所有要求最适合的就是锂电池了，锂电池作为一种新型电池，正负极材料使用的是嵌锂化合物，相比于其他蓄电池优点在于电压和能量更高，自放电率小，使用寿命更长，安全性更高[1]，现在普遍用于电子产品中。
1.1 锂电池原理
在所有金属中，锂是元素周期表中原子量最小的金属，其化学特性非常活泼。这也就决定了利用锂元素的锂离子电池体积更小、容量密度更高。
锂电池的充电的过程中，电池的正极会产生锂离子，脱离正极的锂离子会通过电解液来到负极。而负极的碳是层状结构，这种结构会有许多微小的孔，当锂离子到达负极时会嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，锂电池的充电容量就越高。反之当锂电池放电时，嵌入负极碳层中的锂离子会脱离负极重新通过电解液回到正极[2]。原理图如图1。
图 1锂电池充放电原理图
锂电池在充电过程中的电化学表达式
负极反应：nLi++ne+6C→LiC6 （1）
正极反应：LiMO2→Li（1n）MO2+nLi++ne （2）
电池总反应：LiMO2+6C→Li（1n）MO2+LinC6 （3）
锂电池在放电过程中的电化学表达式
负极反应：LiC6→nLi+ne+6C （4）
正极反应：Li（1n）MO2+nLi++ne→LiMO2 （5）
电池总反应：Li（1n）MO2+LinC6→LiMO2+6C （6）
式中：M可以替换为Co、Ni、Fe等。
锂电池相比于别的蓄电池有许多优点：容量密度高，使用时的安全性较高，工作温度的范围较大，工作电压曲线平稳，使用寿命更长。所以只要对锂电池组进行有效的状态监测与管理，就能够很大的提升锂电池组的安全性，相比于其他蓄电池性能更好，安全性更高。
1.2 锂电池的性能参数和特点
评价电池性能主要依靠四个参数：工作电压、工作温度、体积比能量以及质量比能量。下面就举Dd/Ni电池以及MH/Ni电池的例子来和锂电池进行各项参数的比较，见表格 1。
表格 1三种电池参数表
项目
锂电池
Cd/Ni电池
MH/Ni电池
工作电压（V）
目录
1 引言 1
1.1 锂电池原理 1
1.2 锂电池的性能参数和特点 2
1.3 电池能量监测系统对电池组的作用 3
1.4 锂电池保护研究现状 4
1.5 设计方案 4
2 FPGA介绍与使用 4
2.1 FPGA简介 5
2.2 FPGA的结构和原理 5
2.3 FPGA芯片选择 5
2.4 FPGA开发工具 6
2.5 FPGA设计流程 6
2.6 实际操作过程 7
3 方案选型与硬件设计 10
3.1 FPGA选型 10
3.2显示屏选型 14
3.3 ADC选型 14
3.4 温度传感器选型 15
3.5 UART通信CP2102模块 16
3.6 FPGA引脚约束 17
3.7 系统硬件框图 18
4 Quartus下模块设计及调试 18
4.1 Quartus开发环境 18
4.2 系统软件框图 19
4.3 系统RTL图 20
4.4 TLC2543电压采集模块 21
4.5 DTH11温度采集模块 22
4.6 报警模块 23
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4.7 LCD12864显示模块 24
4.8 UART串口通信模块 25
4.9 FPGA资源使用报告 26
5 实物展示 27
5.1 系统上电 27
5.2 功能测试 28
5.3 上位机串口测试 33
结 论 35
致 谢 36
附 录 39
1 引言
伴随着电子工业的蓬勃发展，人们对新电子产品的性能要求都高了许多，特别是在电源续航方面，要求体现在电源的体积和质量要尽量小，而电源的能量密度又要尽可能高，电源的使用寿命以及使用时的安全性要高。考虑到所有要求最适合的就是锂电池了，锂电池作为一种新型电池，正负极材料使用的是嵌锂化合物，相比于其他蓄电池优点在于电压和能量更高，自放电率小，使用寿命更长，安全性更高[1]，现在普遍用于电子产品中。
1.1 锂电池原理
在所有金属中，锂是元素周期表中原子量最小的金属，其化学特性非常活泼。这也就决定了利用锂元素的锂离子电池体积更小、容量密度更高。
锂电池的充电的过程中，电池的正极会产生锂离子，脱离正极的锂离子会通过电解液来到负极。而负极的碳是层状结构，这种结构会有许多微小的孔，当锂离子到达负极时会嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，锂电池的充电容量就越高。反之当锂电池放电时，嵌入负极碳层中的锂离子会脱离负极重新通过电解液回到正极[2]。原理图如图1。
图 1锂电池充放电原理图
锂电池在充电过程中的电化学表达式
负极反应：nLi++ne+6C→LiC6 （1）
正极反应：LiMO2→Li（1n）MO2+nLi++ne （2）
电池总反应：LiMO2+6C→Li（1n）MO2+LinC6 （3）
锂电池在放电过程中的电化学表达式
负极反应：LiC6→nLi+ne+6C （4）
正极反应：Li（1n）MO2+nLi++ne→LiMO2 （5）
电池总反应：Li（1n）MO2+LinC6→LiMO2+6C （6）
式中：M可以替换为Co、Ni、Fe等。
锂电池相比于别的蓄电池有许多优点：容量密度高，使用时的安全性较高，工作温度的范围较大，工作电压曲线平稳，使用寿命更长。所以只要对锂电池组进行有效的状态监测与管理，就能够很大的提升锂电池组的安全性，相比于其他蓄电池性能更好，安全性更高。
1.2 锂电池的性能参数和特点
评价电池性能主要依靠四个参数：工作电压、工作温度、体积比能量以及质量比能量。下面就举Dd/Ni电池以及MH/Ni电池的例子来和锂电池进行各项参数的比较，见表格 1。
表格 1三种电池参数表
项目
锂电池
Cd/Ni电池
MH/Ni电池
工作电压（V）
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