《電子技術應用》
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一種穿戴式系統電源控制器設計與實現
2019年電子技術應用第12期
宋金華,吳 林,謝啟少,陸志榮
同方電子科技有限公司,江西 九江332002
摘要: 設計了一種穿戴系統電源控制器,是基于單片機控制的電源控制器,為穿戴式系統提供電源管理功能。具有雙電池的充電/供電管理,內置單片機,電源開關軟控制,并可遙控關機,可實時監控并指示控制器各工作狀態,可指示電池電量信息,與上位機通信上傳工作狀態及電池電量等信息。具有充滿保護、過流保護、短路保護、輸入反接保護、雙電池并接工作等保護功能。具有效率高、體積小、操作簡單、功能全、雙電池配置靈活、金屬外殼電磁兼容性好、可靠性高等優點??梢杂锰柲茈娫椿蚴謸u發電機通過控制器給電池充電,提高其野外使用適應性。
中圖分類號: TM464
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190825
中文引用格式: 宋金華,吳林,謝啟少,等. 一種穿戴式系統電源控制器設計與實現[J].電子技術應用,2019,45(12):115-120.
英文引用格式: Song Jinhua,Wu Lin,Xie Qishao,et al. Design and implementation of a power controller for wearable system[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(12):115-120.
Design and implementation of a power controller for wearable system
Song Jinhua,Wu Lin,Xie Qishao,Lu Zhirong
Tongfang Electronic Science and Technology Co.,Ltd.,Jiujiang 332002,China
Abstract: A power controller for wearable system is designed based on MCU control. It has charge/power supply management of double batteries; built-in single chip computer: soft control of power switch and remote shutdown; real-time monitoring and indicating the working status of the controller, which can indicate the battery power information; communication with the host computer to upload the working status and battery power information; full protection, over-current protection, short circuit protection, input reverse protection, parallel operation of double batteries and other protective work. The utility model has the advantages of high efficiency, small size, simple operation, full function, flexible configuration of double batteries, good electromagnetic compatibility of metal case and high reliability. Solar power or hand-driven generator can be used to charge the battery through the controller to improve its field adaptability.
Key words : controller;lithium battery;charging;8051F330;equalization

0 引言

    隨著電子及信息技術的突飛猛進發展,電子及信息技術產品體積更小、功耗更低、效率更高、功能更強大,這就為穿戴式系統設備的發展提供了技術可能。穿戴式系統要求其供電管理設備具有效率高、體積小等特點。本文介紹一款基于單片機控制的穿戴式系統電源控制器,具有雙電池的充電/供電管理功能,電池配置靈活;電源開關軟控制,并可遙控關機;實時監控并指示控制器各工作狀態,可指示電池電量信息;與上位機通信上傳電源工作狀態及電池電量等信息;充電輸入電壓范圍寬,穿戴式系統在野外工作時,可以用太陽能電源或手搖發電機通過控制器給電池充電,提高其野外使用適應性。

1 工作原理 

    如圖1所示,控制器包括充電電路、雙電池管理電路、開關控制、開關及指示、微機單元、DC/DC變換6部分。

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1.1 控制器充電

    自電源接口輸入9 V~28 V的直流電源,控制器就可以對電池進行充電??刂破鬟B接一塊電池時,充電電流只給該電池充電,當連接兩塊電池時,控制器內部的均衡電路自動優先給電量(電壓)低的電池充電,電量低的電池分配的充電電流大,兩塊電池的電量逐漸趨于一致,兩塊電池得到的充電電流也趨于均分;充電過程中指示燈綠燈閃爍,充滿指示燈亮綠燈。

    控制器只要有直流輸入就可對電池充電,既可以在控制開機狀態下充電也可以在控制關機狀態下對電池充電。

1.2 控制器供電

    在控制器關機狀態下,常按電源開關約3 s后控制器開機,控制器輸出5 V、12 V電源為系統其他設備供電。

    控制器連接一塊電池時,該電池為系統供電;當連接兩塊電池時,電量(電壓)高的電池優先給系統供電。電量高的電池放電電流大,并趨于均分。 

1.3 功能參數

1.3.1 功能

    該控制器為穿戴式系統的信息處理單元、通信電臺及攝像頭等設備供電;可實現雙電池的充電供電管理;內置單片機實現與上位機通信上傳電源工作狀態及電池電量等信息。

    (1)工作方式:對電池組充電(在控制器關機狀態下也能進行充電);對用電設備供電;同時對電池組充電和對用電設備供電。

    (2)數據通信傳輸:通過RS-232串口與上位機通信。上傳電池容量、各路輸出電壓/電流等信息。

    (3)保護:充滿保護、過流、短路保護、輸入反接保護、雙電池并接工作保護。

    (4)控制器開關機:在控制器關閉的情況下,常按電源開關約3 s(指示燈紅綠交替閃爍),控制器開啟,控制器輸出各路電源;在控制器工作的情況下,長按電源開關約3 s,控制器關閉;或通過上位機給控制器下發關機命令關閉控制器。

    (5)指示:用一個三色發光管完成各狀態指示。電量指示:電量充足指示燈綠色,電量不足指示燈橙色,電量嚴重不足指示燈紅色;充電指示:充電指示燈綠燈閃爍;充滿指示燈綠色;開關機指示:長按電源開關開關機時,指示燈紅綠交替閃爍;故障機指示:故障時指示燈紅燈閃爍。

1.3.2 技術指標要求

    主要技術指標要求如下:

    (1)輸入電壓:額定12 V電壓輸入;電壓范圍為9 V~28 V。

    (2)供電輸出:直流5 V輸出,電流5 A;直流12 V輸出,電流1 A。

    (3)配套電池:配套的蓄電池為聚合物鋰電池組,電池規格為7.2 V/10 Ah,電池有兩個,可以單獨使用,也可以并接使用。

    (4)充電電流:4 A。

2 硬件設計

2.1 充電電路

    充電管理電路如圖2所示,LTC4006EGN-4是一款高效同步整流充電管理芯片,其轉換效率高于90%。

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    LTC4006的充電電流由R7阻值設置,恒流充電時R7的壓降恒定在0.1 V,如圖2中充電電流設置為4 A。充電輸出控制由MOS管(P溝道)V4來實現,充電過程中充電輸出控制信號VON1為高電平,V4導通;充電結束后VON1信號為低電平,關斷充電輸出。當充電輸出端短路時,可以通過肖特基二極管V8的箝位快速關斷充電輸出,同時微機監測到該短路信息后,通過軟件關斷充電輸出。

    LTC4006的8腳輸出一個模擬信號,該信號電壓與充電電流成線性關系:充電電路工作在恒流(4 A)充電狀態時,8腳電壓為1.19 V;充電電流為零時8腳電壓為0.309 V;充電電流(0~4 A)與8腳的電壓(0.309 V~1.19 V)對應成線性關系。

    在充電電路輸入端串接一個肖特基二極管(如圖2中V1),可以實現輸入防反接保護功能,提高設備使用可靠性。

2.2 雙電池管理電路

    該穿戴系統中配備了兩塊7.2 V/10 Ah聚合物鋰電池,滿足系統連續10小時的工作時間,兩塊電池分別通過線纜與控制器相連??刂破髟O計了雙電池管理電路,如圖3所示。系統電池配置應用靈活,既可以單電池配置工作,也可以雙電池配置工作,雙電池配置時不用刻意規定兩塊電池電壓相同。

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    電池電量(電壓)差異較大時,控制器應能自動識別。此時若為充電狀態,則先對低電量電池充電,若為放電狀態,則先由高電量電池放電。該電路具有均衡功能,做到無縫切換,該電路的隔離功能,確保雙電池工作安全,避免高電量電池對低電量電池放電現象。

    如圖3所示,當LTC4412的6腳電壓比起1腳電壓低時,其5腳為低電平,MOS管導通,電路導通工作;反之當LTC4412的6腳電壓比1腳電壓高時,MOS管截止,電路反相截止。該功能等效于一個二極管:具有“正”相導通、“反”相截止功能,“正”相導通壓降很小(MOS管上的導通壓降),該電路也叫“理想二極管”電路。

    控制器中用四片LTC4412芯片及P溝道MOS管設計的雙電池管理電路。N2、N4、V9、V11構成充電均衡電路,充電電壓VB優先給電量(電壓)低的電池充電,電量低的電池分配的充電電流大,兩塊電池的電量逐漸趨于一致,兩塊電池得到的充電電流也趨于均分;N3、N5、V10、V12構成放電均衡電路,電量高的電池優先給設備供電,其放電電流大,兩塊電池的電量逐漸趨于一致,放電電流也趨于均分。

    兩塊電量有差異的電池接入控制器充電或放電一段時間后其電量會趨于一致,具有自動均衡功能;同時該電路有隔離作用,通過該電路使兩塊電池并接在系統中工作而相互隔離,避免兩塊電池之間的相互放電,確保雙電池工作的安全性;該電路的應用使得電池具有熱插拔功能,系統雙工作時拔下任一塊電池,系統不會出現異常,保持正常工作狀態,系統單工作時再加入一塊電池,系統不會出現異常,保持正常工作狀態。

2.3 DC/DC變換電路

    DC/DC變換電路如圖4所示:控制器開機工作時,經開關控制的電池電壓VD分別送電源轉換模塊(B1)及升壓電路(N7)得到5 V、12 V電源為系統供電。

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    B1(SIP10W-12S05A)為一款輸出10 A的高效非隔離電源轉換模塊,其輸入為6 V~14 V。輸出電壓由R13的阻值來設置,考慮到大電流的壓降,電路中輸出電壓設置為5.3 V左右,其轉換效率高于95%。

    LT1370為一款升壓轉換控制芯片。升壓電路的輸出電壓由R21與R22比值來設定:VOUT=VFB×(1+R21/R22)(VFB=1.245 V),該電路的轉換效率高于90%。

    5 V、12 V電源輸出設計了過流、短路保護。N6(LT6107)為5 V電源電流采樣放大芯片,其輸出電壓信號與輸出電流的關系為:I5V=IOUT×R15×(R16/R14),5 V輸出電流為5 A時,其輸出電壓信號為2 V;N8為12 V電源電流采樣放大芯片,12 V輸出電流為1 A時,其輸出電壓信號為2 V。單片機分別對這兩個電流信號進行采樣來并進行過流保護。短路保護工作原理同充電輸出短路保護。

2.4 開關機控制電路

    開關控制電路如圖5所示:在控制器關機狀態下,按下復位開關K1,電池電壓VC通過二極管V26、N9為單片機供電;另一通過R32、R33得到的PON信號送至單片機的P1.5端口,P1.5端口監測到約3 s的連續高平后,其P1.6端口的SON信號反轉為高電平,MOS管V22導通,控制器開機;控制器開機后松開開關K1,單片機電源由VD經V24維持供電;控制器維持開機狀態。

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    在控制器開機狀態下,按下復位開關K1,單片機監測PON信號約3 s的連續高電平后,SON反轉為低電平,MOS管V22截止,控制器關機;控制器關機后松開開關K1,單片機電源斷開,控制器維持關機狀態。

    在控制器關機狀態下,控制器電源輸入口接直流電源,如圖2所示的充電電路開始工作,其充電電壓VB通過如圖5中的V25給單片機供電。單片機開始工作,監測充電電路電壓、電流信息,并通過雙色二極管來指示充電狀態信息。該設計可以滿足控制器在不開機的情況下對電池充電。

2.5 單片機電路

    微機控制電路如圖6所示:控制部分的核心由C8051F330單片機組成。該單片機集成有Flash、內部數據RAM、10位AD、17個數字I/O引腳等,是一款高效的8位微處理器,極大地簡化了硬件電路設計。該單片機實現控制器電源開關軟控制;實時監測充電電路的電壓、電流信息;對充電輸出開關進行控制;與上位機通信,實現控制器的遙控關機,并上傳電池電量、控制器工作狀態等信息;控制一個雙色發光二極管來指示電池電量及控制器工作狀態等信息。

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    C8051F020的端口配置:P0.1為電源輸出控制(VON2)口;P0.2為紅燈控制口;P0.3為綠燈控制口;P0.4、P0.5為串口通信口;P0.6~P1.4為各電壓電流采樣輸入口;P1.5為開關按鍵信號(PON)口;P1.6為電源開關MOS管控制信號(SON)口;P1.7為充電輸出控制信號(VON1)口。

3 軟件設計

    采用模塊化軟件設計,在主程序中套用各功能子程序,這樣設計軟件邏輯嚴謹、條理清晰。包括有電壓采樣子程序、電流采樣子程序、充電監測子程序、電量監測子程序、串口通信子程序、狀態指示子程序。程序流程圖如圖7所示。

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3.1 電壓電流采樣子程序

    單片機內置10位AD,實現對5 V、12 V電源的電壓、電流采樣;對充電電路的電流采樣;對兩塊電池的電壓采樣。充電電流信號來自LTC4006的8腳(ICD),12 V及5 V電源的電流信號來自電流采樣放大芯片LT6107。單片機對電源輸出電流信號進行采樣,并進行過流保護,5 V輸出的過流保護門限設置為6 A,12 V輸出的過流保護門限設置為1.2 A。當輸出過流時,切斷電源輸出(控制信號VON2置低),并紅燈閃爍告警。

3.2 充電子程序

    充電子程序中根據對電池電壓及充電電流來綜合判斷充電狀態。當充電電流值大于0.4 A時,判斷為充電狀態,指示燈為綠燈閃爍;當電池電壓達到恒壓充電電壓值8.4 V,且充電電流小于0.4 A時判斷為電池充滿,充電結束,關斷充電輸出(VON1信號置為低電平),對應的指示燈為綠燈。

3.3 電量監測充電子程序

    分別監測兩塊電池的電壓來估算電池的容量;控制器是分別計算兩塊電池的電量信息并在終端上顯示??刂破鞯闹甘緹粢部芍甘倦姵仉娏啃畔ⅲ嚎刂破鬟B接兩塊電池時按兩塊電池的平均電量來處理,連接一塊電池時按當前電池的電量來處理,控制機器再根據容量百分比來進行電量信息指示。

3.4 狀態指示子程序

    單片機控制一個雙色發光二極管(紅綠、共陽)來指示對應的充電、電量故障等狀態信息:

    (1)充電指示:在充電狀態下,電池充電指示燈為綠燈閃爍;充滿結束指示燈為綠燈。

    (2)電量指示:電量充足(大于50%容量)指示燈為綠燈;電量不足(20%~50%容量)指示燈為橙燈;電量嚴重不足(小于20%容量)指示燈為紅燈。

    (3)故障指示:當充電輸出端口短路或者電池電壓充不上去時,判充電輸出故障;開機后12 V、5 V電源的電壓超出其標稱范圍,或輸出短路、過流時判斷為電源輸出故障。出現故障時,指示燈為紅燈閃爍告警。

    (4)開/關機指示:在控制器關機充電狀態下,按下電源開關,指示燈為紅綠交替閃爍,長按電源開關約3 s后控制器開機,指示燈按充電狀態指示(充電綠燈閃爍、充滿綠燈),停止開關按鍵動作,完成充電狀態下開機動作;在控制器開機充電狀態下,按下電源開關機按鍵,指示燈為紅綠交替閃爍,長按電源開關約3 s后控制器關機,指示燈熄滅,停止開關按鍵動作,指示燈繼續按充電狀態指示,完成充電狀態下關機動作。

    在控制器關機不充電狀態下,按下電源開關按鍵,指示燈為紅綠交替閃爍,長按電源開關約3 s后控制器開機,指示燈按電量狀態信息指示(電量充足綠燈、電量不足橙燈、電量嚴重不足紅燈),停止開關按鍵動作,完成開機動作;在控制器開機不充電狀態下,按下電源開關按鍵機,指示燈為紅綠交替閃爍,長按電源開關約3 s后控制器關機,指示燈熄滅,停止開關按鍵動作,完成充電狀態下關機動作。

    指示燈的指示優點級別是:故障指示級別最高,其次是開/關機指示,然后是充電指示,最后是電量指示。

3.5 電源開關機控制

    單片機監測到PON信號為高電平后,啟動定時器2的計數器,當該定時計數器的計數大于3 s后,單片機的SON信號電平狀態反轉,實現電源開關軟控制。

    單片機監測到PON信號為低電平后,定時器2的計數器清零。確保電源開關只有連續按3 s才能實現控制器的開關機,避免該開關的誤動作。

    在控制器開機狀態下,單片機接收上位機的遙控關機命令, SON信號電平置低,控制器關機;單片機電源被斷開,控制器維持關機狀態。

3.6 串口通信

    控制器與上位機通過RS-232串口通信,實現數據傳輸。上傳電池容量、各路輸出電壓/電流等信息。

    (1)通信方式:以RS-232的方式進行通信;波特率:9 600 b/s;數據位:8位;奇偶效驗:無;停止位:1位。

    (2)指令格式:起始符(02)+指令符+[參數1]+…+<參數n>+…+結束符(03)+累加和效驗;(  ):(  )內的參數為十六進制;[參數1]:[  ]內的參數必須有;<參數n>;<  >內的參數可以沒有。

    (3)通信命令:電池A容量查詢命令、電池B查詢命令、5 V輸出電壓/電流查詢命令、12 V輸出電壓/電流查詢命令、遙控關機命令。

4 控制器的測試驗證

    根據上述設計思想制作出的穿戴式系統電源控制器,可以實現為系統供電;可以在控制器關機狀態為電池充電;充電指示為:充電綠燈閃爍、充滿紅燈;控制器指示燈能指示電池電量信息:電量充足綠燈、電量不足橙燈、嚴重不足紅燈;按下按鍵開關機時指示燈紅綠交替閃爍提醒,長按3 s左右控制器能夠開關機;充電輸出短路或電源輸出短路、過流時能夠保護關斷相應的輸出,并紅燈閃爍指示該故障。其他指標測試如表1所示。

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    控制器各電路都采用高效電路實現,做到小而輕,如圖8所示,其外形尺寸為90 mm×45 mm×30 mm。

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5 結論

    本文對控制器的工作原理進行了詳細的介紹,結合硬件電路和軟件設計重點介紹該設備如何實現其雙電池管理及控制器工作狀態的監控:系統既可以配備一塊電池工作,也可以配備兩塊電池工作得到更長的待機工作時間;配備兩塊電池工作時,可以隨時拔下或接入一塊電池,系統不會斷電;監控控制器的充電及電量信息并通過一個雙色發光二極管來指示;通過串口上傳電池電量及各電壓電流等信息。

    該穿戴式系統電源控制器具有效率高、體積小、操作簡單、功能全(有電池充電功能)、雙電池配置靈活、金屬外殼電磁兼容性好等特點。

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作者信息:

宋金華,吳  林,謝啟少,陸志榮

(同方電子科技有限公司,江西 九江332002)

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