《电子技术应用》
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一种穿戴式系统电源控制器设计与实现
2019年电子技术应用第12期
宋金华,吴 林,谢启少,陆志荣
同方电子科技快乐赛车,江西 九江332002
摘要: 设计了一种穿戴系统电源控制器,是基于单片机控制的电源控制器,为穿戴式系统提供电源管理功能。具有双电池的充电/供电管理,内置单片机,电源开关软控制,并可遥控关机,可实时监控并指示控制器各工作状态,可指示电池电量信息,与上位机通信上传工作状态及电池电量等信息。具有充满保护、过流保护、短路保护、输入反接保护、双电池并接工作等保护功能。具有效率高、体积小、操作简单、功能全、双电池配置灵活、金属外壳电磁兼容性好、可靠性高等优点。可以用太阳能电源或手摇发电机通过控制器给电池充电,提高其野外使用适应性。
中图分类号: TM464
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190825
中文引用格式: 宋金华,吴林,谢启少,等. 一种穿戴式系统电源控制器设计与实现[J].电子技术应用,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

    随着电子及信息技术的突飞猛进发展,电子及信息技术产品体积更小、功耗更低、效率更高、功能更强大,这就为穿戴式系统设备的发展提供了技术可能。穿戴式系统要求其供电管理设备具有效率高、体积小等特点。本文介绍一款基于单片机控制的穿戴式系统电源控制器,具有双电池的充电/供电管理功能,电池配置灵活;电源开关软控制,并可遥控关机;实时监控并指示控制器各工作状态,可指示电池电量信息;与上位机通信上传电源工作状态及电池电量等信息;充电输入电压范围宽,穿戴式系统在野外工作时,可以用太阳能电源或手摇发电机通过控制器给电池充电,提高其野外使用适应性。

1 工作原理 

    如图1所示,控制器包括充电电路、双电池管理电路、开关控制、开关及指示、微机单元、DC/DC变换6部分。

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1.1 控制器充电

    自电源接口输入9 V~28 V的直流电源,控制器就可以对电池进行充电。控制器连接一块电池时,充电电流只给该电池充电,当连接两块电池时,控制器内部的均衡电路自动优先给电量(电压)低的电池充电,电量低的电池分配的充电电流大,两块电池的电量逐渐趋于一致,两块电池得到的充电电流也趋于均分;充电过程中指示灯绿灯闪烁,充满指示灯亮绿灯。

    控制器只要有直流输入就可对电池充电,既可以在控制开机状态下充电也可以在控制关机状态下对电池充电。

1.2 控制器供电

    在控制器关机状态下,常按电源开关约3 s后控制器开机,控制器输出5 V、12 V电源为系统其他设备供电。

    控制器连接一块电池时,该电池为系统供电;当连接两块电池时,电量(电压)高的电池优先给系统供电。电量高的电池放电电流大,并趋于均分。 

1.3 功能参数

1.3.1 功能

    该控制器为穿戴式系统的信息处理单元、通信电台及摄像头等设备供电;可实现双电池的充电供电管理;内置单片机实现与上位机通信上传电源工作状态及电池电量等信息。

    (1)工作方式:对电池组充电(在控制器关机状态下也能进行充电);对用电设备供电;同时对电池组充电和对用电设备供电。

    (2)数据通信传输:通过RS-232串口与上位机通信。上传电池容量、各路输出电压/电流等信息。

    (3)保护:充满保护、过流、短路保护、输入反接保护、双电池并接工作保护。

    (4)控制器开关机:在控制器关闭的情况下,常按电源开关约3 s(指示灯红绿交替闪烁),控制器开启,控制器输出各路电源;在控制器工作的情况下,长按电源开关约3 s,控制器关闭;或通过上位机给控制器下发关机命令关闭控制器。

    (5)指示:用一个三色发光管完成各状态指示。电量指示:电量充足指示灯绿色,电量不足指示灯橙色,电量严重不足指示灯红色;充电指示:充电指示灯绿灯闪烁;充满指示灯绿色;开关机指示:长按电源开关开关机时,指示灯红绿交替闪烁;故障机指示:故障时指示灯红灯闪烁。

1.3.2 技术指标要求

    主要技术指标要求如下:

    (1)输入电压:额定12 V电压输入;电压范围为9 V~28 V。

    (2)供电输出:直流5 V输出,电流5 A;直流12 V输出,电流1 A。

    (3)配套电池:配套的蓄电池为聚合物锂电池组,电池规格为7.2 V/10 Ah,电池有两个,可以单独使用,也可以并接使用。

    (4)充电电流:4 A。

2 硬件设计

2.1 充电电路

    充电管理电路如图2所示,LTC4006EGN-4是一款高效同步整流充电管理芯片,其转换效率高于90%。

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    LTC4006的充电电流由R7阻值设置,恒流充电时R7的压降恒定在0。1 V,如图2中充电电流设置为4 A。充电输出控制由MOS管(P沟道)V4来实现,充电过程中充电输出控制信号VON1为高电平,V4导通;充电结束后VON1信号为低电平,关断充电输出。当充电输出端短路时,可以通过肖特基二极管V8的箝位快速关断充电输出,同时微机监测到该短路信息后,通过软件关断充电输出。

    LTC4006的8脚输出一个模拟信号,该信号电压与充电电流成线性关系:充电电路工作在恒流(4 A)充电状态时,8脚电压为1.19 V;充电电流为零时8脚电压为0.309 V;充电电流(0~4 A)与8脚的电压(0.309 V~1.19 V)对应成线性关系。

    在充电电路输入端串接一个肖特基二极管(如图2中V1),可以实现输入防反接保护功能,提高设备使用可靠性。

2.2 双电池管理电路

    该穿戴系统中配备了两块7.2 V/10 Ah聚合物锂电池,满足系统连续10小时的工作时间,两块电池分别通过线缆与控制器相连。控制器设计了双电池管理电路,如图3所示。系统电池配置应用灵活,既可以单电池配置工作,也可以双电池配置工作,双电池配置时不用刻意规定两块电池电压相同。

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    电池电量(电压)差异较大时,控制器应能自动识别。此时若为充电状态,则先对低电量电池充电,若为放电状态,则先由高电量电池放电。该电路具有均衡功能,做到无缝切换,该电路的隔离功能,确保双电池工作安全,避免高电量电池对低电量电池放电现象。

    如图3所示,当LTC4412的6脚电压比起1脚电压低时,其5脚为低电平,MOS管导通,电路导通工作;反之当LTC4412的6脚电压比1脚电压高时,MOS管截止,电路反相截止。该功能等效于一个二极管:具有“正”相导通、“反”相截止功能,“正”相导通压降很小(MOS管上的导通压降),该电路也叫“理想二极管”电路。

    控制器中用四片LTC4412芯片及P沟道MOS管设计的双电池管理电路。N2、N4、V9、V11构成充电均衡电路,充电电压VB优先给电量(电压)低的电池充电,电量低的电池分配的充电电流大,两块电池的电量逐渐趋于一致,两块电池得到的充电电流也趋于均分;N3、N5、V10、V12构成放电均衡电路,电量高的电池优先给设备供电,其放电电流大,两块电池的电量逐渐趋于一致,放电电流也趋于均分。

    两块电量有差异的电池接入控制器充电或放电一段时间后其电量会趋于一致,具有自动均衡功能;同时该电路有隔离作用,通过该电路使两块电池并接在系统中工作而相互隔离,避免两块电池之间的相互放电,确保双电池工作的安全性;该电路的应用使得电池具有热插拔功能,系统双工作时拔下任一块电池,系统不会出现异常,保持正常工作状态,系统单工作时再加入一块电池,系统不会出现异常,保持正常工作状态。

2.3 DC/DC变换电路

    DC/DC变换电路如图4所示:控制器开机工作时,经开关控制的电池电压VD分别送电源转换模块(B1)及升压电路(N7)得到5 V、12 V电源为系统供电。

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    B1(SIP10W-12S05A)为一款输出10 A的高效非隔离电源转换模块,其输入为6 V~14 V。输出电压由R13的阻值来设置,考虑到大电流的压降,电路中输出电压设置为5.3 V左右,其转换效率高于95%。

    LT1370为一款升压转换控制芯片。升压电路的输出电压由R21与R22比值来设定:VOUT=VFB×(1+R21/R22)(VFB=1.245 V),该电路的转换效率高于90%。

    5 V、12 V电源输出设计了过流、短路保护。N6(LT6107)为5 V电源电流采样放大芯片,其输出电压信号与输出电流的关系为:I5V=IOUT×R15×(R16/R14),5 V输出电流为5 A时,其输出电压信号为2 V;N8为12 V电源电流采样放大芯片,12 V输出电流为1 A时,其输出电压信号为2 V。单片机分别对这两个电流信号进行采样来并进行过流保护。短路保护工作原理同充电输出短路保护。

2.4 开关机控制电路

    开关控制电路如图5所示:在控制器关机状态下,按下复位开关K1,电池电压VC通过二极管V26、N9为单片机供电;另一通过R32、R33得到的PON信号送至单片机的P1.5端口,P1.5端口监测到约3 s的连续高平后,其P1.6端口的SON信号反转为高电平,MOS管V22导通,控制器开机;控制器开机后松开开关K1,单片机电源由VD经V24维持供电;控制器维持开机状态。

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    在控制器开机状态下,按下复位开关K1,单片机监测PON信号约3 s的连续高电平后,SON反转为低电平,MOS管V22截止,控制器关机;控制器关机后松开开关K1,单片机电源断开,控制器维持关机状态。

    在控制器关机状态下,控制器电源输入口接直流电源,如图2所示的充电电路开始工作,其充电电压VB通过如图5中的V25给单片机供电。单片机开始工作,监测充电电路电压、电流信息,并通过双色二极管来指示充电状态信息。该设计可以满足控制器在不开机的情况下对电池充电。

2.5 单片机电路

    微机控制电路如图6所示:控制部分的核心由C8051F330单片机组成。该单片机集成有Flash、内部数据RAM、10位AD、17个数字I/O引脚等,是一款高效的8位微处理器,极大地简化了硬件电路设计。该单片机实现控制器电源开关软控制;实时监测充电电路的电压、电流信息;对充电输出开关进行控制;与上位机通信,实现控制器的遥控关机,并上传电池电量、控制器工作状态等信息;控制一个双色发光二极管来指示电池电量及控制器工作状态等信息。

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    C8051F020的端口配置:P0.1为电源输出控制(VON2)口;P0.2为红灯控制口;P0.3为绿灯控制口;P0.4、P0.5为串口通信口;P0.6~P1.4为各电压电流采样输入口;P1.5为开关按键信号(PON)口;P1.6为电源开关MOS管控制信号(SON)口;P1.7为充电输出控制信号(VON1)口。

3 软件设计

    采用模块化软件设计,在主程序中套用各功能子程序,这样设计软件逻辑严谨、条理清晰。包括有电压采样子程序、电流采样子程序、充电监测子程序、电量监测子程序、串口通信子程序、状态指示子程序。程序流程图如图7所示。

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3.1 电压电流采样子程序

    单片机内置10位AD,实现对5 V、12 V电源的电压、电流采样;对充电电路的电流采样;对两块电池的电压采样。充电电流信号来自LTC4006的8脚(ICD),12 V及5 V电源的电流信号来自电流采样放大芯片LT6107。单片机对电源输出电流信号进行采样,并进行过流保护,5 V输出的过流保护门限设置为6 A,12 V输出的过流保护门限设置为1.2 A。当输出过流时,切断电源输出(控制信号VON2置低),并红灯闪烁告警。

3.2 充电子程序

    充电子程序中根据对电池电压及充电电流来综合判断充电状态。当充电电流值大于0.4 A时,判断为充电状态,指示灯为绿灯闪烁;当电池电压达到恒压充电电压值8.4 V,且充电电流小于0.4 A时判断为电池充满,充电结束,关断充电输出(VON1信号置为低电平),对应的指示灯为绿灯。

3.3 电量监测充电子程序

    分别监测两块电池的电压来估算电池的容量;控制器是分别计算两块电池的电量信息并在终端上显示。控制器的指示灯也可指示电池电量信息:控制器连接两块电池时按两块电池的平均电量来处理,连接一块电池时按当前电池的电量来处理,控制机器再根据容量百分比来进行电量信息指示。

3.4 状态指示子程序

    单片机控制一个双色发光二极管(红绿、共阳)来指示对应的充电、电量故障等状态信息:

    (1)充电指示:在充电状态下,电池充电指示灯为绿灯闪烁;充满结束指示灯为绿灯。

    (2)电量指示:电量充足(大于50%容量)指示灯为绿灯;电量不足(20%~50%容量)指示灯为橙灯;电量严重不足(小于20%容量)指示灯为红灯。

    (3)故障指示:当充电输出端口短路或者电池电压充不上去时,判充电输出故障;开机后12 V、5 V电源的电压超出其标称范围,或输出短路、过流时判断为电源输出故障。出现故障时,指示灯为红灯闪烁告警。

    (4)开/关机指示:在控制器关机充电状态下,按下电源开关,指示灯为红绿交替闪烁,长按电源开关约3 s后控制器开机,指示灯按充电状态指示(充电绿灯闪烁、充满绿灯),停止开关按键动作,完成充电状态下开机动作;在控制器开机充电状态下,按下电源开关机按键,指示灯为红绿交替闪烁,长按电源开关约3 s后控制器关机,指示灯熄灭,停止开关按键动作,指示灯继续按充电状态指示,完成充电状态下关机动作。

    在控制器关机不充电状态下,按下电源开关按键,指示灯为红绿交替闪烁,长按电源开关约3 s后控制器开机,指示灯按电量状态信息指示(电量充足绿灯、电量不足橙灯、电量严重不足红灯),停止开关按键动作,完成开机动作;在控制器开机不充电状态下,按下电源开关按键机,指示灯为红绿交替闪烁,长按电源开关约3 s后控制器关机,指示灯熄灭,停止开关按键动作,完成充电状态下关机动作。

    指示灯的指示优点级别是:故障指示级别最高,其次是开/关机指示,然后是充电指示,最后是电量指示。

3.5 电源开关机控制

    单片机监测到PON信号为高电平后,启动定时器2的计数器,当该定时计数器的计数大于3 s后,单片机的SON信号电平状态反转,实现电源开关软控制。

    单片机监测到PON信号为低电平后,定时器2的计数器清零。确保电源开关只有连续按3 s才能实现控制器的开关机,避免该开关的误动作。

    在控制器开机状态下,单片机接收上位机的遥控关机命令, SON信号电平置低,控制器关机;单片机电源被断开,控制器维持关机状态。

3.6 串口通信

    控制器与上位机通过RS-232串口通信,实现数据传输。上传电池容量、各路输出电压/电流等信息。

    (1)通信方式:以RS-232的方式进行通信;波特率:9 600 b/s;数据位:8位;奇偶效验:无;停止位:1位。

    (2)指令格式:起始符(02)+指令符+[参数1]+…+<参数n>+…+结束符(03)+累加和效验;(  ):(  )内的参数为十六进制;[参数1]:[  ]内的参数必须有;<参数n>;<  >内的参数可以没有。

    (3)通信命令:电池A容量查询命令、电池B查询命令、5 V输出电压/电流查询命令、12 V输出电压/电流查询命令、遥控关机命令。

4 控制器的测试验证

    根据上述设计思想制作出的穿戴式系统电源控制器,可以实现为系统供电;可以在控制器关机状态为电池充电;充电指示为:充电绿灯闪烁、充满红灯;控制器指示灯能指示电池电量信息:电量充足绿灯、电量不足橙灯、严重不足红灯;按下按键开关机时指示灯红绿交替闪烁提醒,长按3 s左右控制器能够开关机;充电输出短路或电源输出短路、过流时能够保护关断相应的输出,并红灯闪烁指示该故障。其他指标测试如表1所示。

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    控制器各电路都采用高效电路实现,做到小而轻,如图8所示,其外形尺寸为90 mm×45 mm×30 mm。

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5 结论

    本文对控制器的工作原理进行了详细的介绍,结合硬件电路和软件设计重点介绍该设备如何实现其双电池管理及控制器工作状态的监控:系统既可以配备一块电池工作,也可以配备两块电池工作得到更长的待机工作时间;配备两块电池工作时,可以随时拔下或接入一块电池,系统不会断电;监控控制器的充电及电量信息并通过一个双色发光二极管来指示;通过串口上传电池电量及各电压电流等信息。

    该穿戴式系统电源控制器具有效率高、体积小、操作简单、功能全(有电池充电功能)、双电池配置灵活、金属外壳电磁兼容性好等特点。

参考文献

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作者信息:

宋金华,吴  林,谢启少,陆志荣

(同方电子科技快乐赛车,江西 九江332002)

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