0 引言

    隨著電子及信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)發(fā)展，電子及信息技術(shù)產(chǎn)品體積更小、功耗更低、效率更高、功能更強(qiáng)大，這就為穿戴式系統(tǒng)設(shè)備的發(fā)展提供了技術(shù)可能。穿戴式系統(tǒng)要求其供電管理設(shè)備具有效率高、體積小等特點(diǎn)。本文介紹一款基于單片機(jī)控制的穿戴式系統(tǒng)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(guān)軟控制，并可遙控關(guān)機(jī)；實(shí)時(shí)監(jiān)控并指示控制器各工作狀態(tài)，可指示電池電量信息；與上位機(jī)通信上傳電源工作狀態(tài)及電池電量等信息；充電輸入電壓范圍寬，穿戴式系統(tǒng)在野外工作時(shí)，可以用太陽能電源或手搖發(fā)電機(jī)通過控制器給電池充電，提高其野外使用適應(yīng)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(guān)控制、開關(guān)及指示、微機(jī)單元、DC/DC變換6部分。

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(duì)電池進(jìn)行充電。控制器連接一塊電池時(shí)，充電電流只給該電池充電，當(dāng)連接兩塊電池時(shí)，控制器內(nèi)部的均衡電路自動(dòng)優(yōu)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(duì)電池充電，既可以在控制開機(jī)狀態(tài)下充電也可以在控制關(guān)機(jī)狀態(tài)下對(duì)電池充電。

1.2 控制器供電

    在控制器關(guān)機(jī)狀態(tài)下，常按電源開關(guān)約3 s后控制器開機(jī)，控制器輸出5 V、12 V電源為系統(tǒng)其他設(shè)備供電。

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

1.3 功能參數(shù)

1.3.1 功能

    該控制器為穿戴式系統(tǒng)的信息處理單元、通信電臺(tái)及攝像頭等設(shè)備供電；可實(shí)現(xiàn)雙電池的充電供電管理；內(nèi)置單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信上傳電源工作狀態(tài)及電池電量等信息。

    (1)工作方式：對(duì)電池組充電(在控制器關(guān)機(jī)狀態(tài)下也能進(jìn)行充電)；對(duì)用電設(shè)備供電；同時(shí)對(duì)電池組充電和對(duì)用電設(shè)備供電。

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

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

    (4)控制器開關(guān)機(jī)：在控制器關(guān)閉的情況下，常按電源開關(guān)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(guān)約3 s，控制器關(guān)閉；或通過上位機(jī)給控制器下發(fā)關(guān)機(jī)命令關(guān)閉控制器。

    (5)指示：用一個(gè)三色發(fā)光管完成各狀態(tài)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(yán)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(guān)機(jī)指示：長按電源開關(guān)開關(guān)機(jī)時(shí)，指示燈紅綠交替閃爍；故障機(jī)指示：故障時(shí)指示燈紅燈閃爍。

1.3.2 技術(shù)指標(biāo)要求

    主要技術(shù)指標(biāo)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(guī)格為7.2 V/10 Ah，電池有兩個(gè)，可以單獨(dú)使用，也可以并接使用。

    (4)充電電流：4 A。

2 硬件設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)換效率高于90%。

    LTC4006的充電電流由R7阻值設(shè)置，恒流充電時(shí)R7的壓降恒定在0.1 V，如圖2中充電電流設(shè)置為4 A。充電輸出控制由MOS管(P溝道)V4來實(shí)現(xiàn)，充電過程中充電輸出控制信號(hào)VON1為高電平，V4導(dǎo)通；充電結(jié)束后VON1信號(hào)為低電平，關(guān)斷充電輸出。當(dāng)充電輸出端短路時(shí)，可以通過肖特基二極管V8的箝位快速關(guān)斷充電輸出，同時(shí)微機(jī)監(jiān)測(cè)到該短路信息后，通過軟件關(guān)斷充電輸出。

    LTC4006的8腳輸出一個(gè)模擬信號(hào)，該信號(hào)電壓與充電電流成線性關(guān)系：充電電路工作在恒流(4 A)充電狀態(tài)時(shí)，8腳電壓為1.19 V；充電電流為零時(shí)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(duì)應(yīng)成線性關(guān)系。

    在充電電路輸入端串接一個(gè)肖特基二極管(如圖2中V1)，可以實(shí)現(xiàn)輸入防反接保護(hù)功能，提高設(shè)備使用可靠性。

2.2 雙電池管理電路

    該穿戴系統(tǒng)中配備了兩塊7.2 V/10 Ah聚合物鋰電池，滿足系統(tǒng)連續(xù)10小時(shí)的工作時(shí)間，兩塊電池分別通過線纜與控制器相連。控制器設(shè)計(jì)了雙電池管理電路，如圖3所示。系統(tǒng)電池配置應(yīng)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(shí)不用刻意規(guī)定兩塊電池電壓相同。

    電池電量（電壓）差異較大時(shí)，控制器應(yīng)能自動(dòng)識(shí)別。此時(shí)若為充電狀態(tài)，則先對(duì)低電量電池充電，若為放電狀態(tài)，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(duì)低電量電池放電現(xiàn)象。

    如圖3所示，當(dāng)LTC4412的6腳電壓比起1腳電壓低時(shí)，其5腳為低電平，MOS管導(dǎo)通，電路導(dǎo)通工作；反之當(dāng)LTC4412的6腳電壓比1腳電壓高時(shí)，MOS管截止，電路反相截止。該功能等效于一個(gè)二極管：具有“正”相導(dǎo)通、“反”相截止功能，“正”相導(dǎo)通壓降很小(MOS管上的導(dǎo)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(shè)計(jì)的雙電池管理電路。N2、N4、V9、V11構(gòu)成充電均衡電路，充電電壓VB優(yōu)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(gòu)成放電均衡電路，電量高的電池優(yōu)先給設(shè)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(shí)間后其電量會(huì)趨于一致，具有自動(dòng)均衡功能；同時(shí)該電路有隔離作用，通過該電路使兩塊電池并接在系統(tǒng)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(yīng)用使得電池具有熱插拔功能，系統(tǒng)雙工作時(shí)拔下任一塊電池，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)異常，保持正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)單工作時(shí)再加入一塊電池，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)異常，保持正常工作狀態(tài)。

2.3 DC/DC變換電路

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

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

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

    5 V、12 V電源輸出設(shè)計(jì)了過流、短路保護(hù)。N6(LT6107)為5 V電源電流采樣放大芯片，其輸出電壓信號(hào)與輸出電流的關(guān)系為：I_5V=I_OUT×R15×(R16/R14)，5 V輸出電流為5 A時(shí)，其輸出電壓信號(hào)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(shí)，其輸出電壓信號(hào)為2 V。單片機(jī)分別對(duì)這兩個(gè)電流信號(hào)進(jìn)行采樣來并進(jìn)行過流保護(hù)。短路保護(hù)工作原理同充電輸出短路保護(hù)。

2.4 開關(guān)機(jī)控制電路

    開關(guān)控制電路如圖5所示：在控制器關(guān)機(jī)狀態(tài)下，按下復(fù)位開關(guān)K1，電池電壓VC通過二極管V26、N9為單片機(jī)供電；另一通過R32、R33得到的PON信號(hào)送至單片機(jī)的P1.5端口，P1.5端口監(jiān)測(cè)到約3 s的連續(xù)高平后，其P1.6端口的SON信號(hào)反轉(zhuǎn)為高電平，MOS管V22導(dǎo)通，控制器開機(jī)；控制器開機(jī)后松開開關(guān)K1，單片機(jī)電源由VD經(jīng)V24維持供電；控制器維持開機(jī)狀態(tài)。

    在控制器開機(jī)狀態(tài)下，按下復(fù)位開關(guān)K1，單片機(jī)監(jiān)測(cè)PON信號(hào)約3 s的連續(xù)高電平后，SON反轉(zhuǎn)為低電平，MOS管V22截止，控制器關(guān)機(jī)；控制器關(guān)機(jī)后松開開關(guān)K1，單片機(jī)電源斷開，控制器維持關(guān)機(jī)狀態(tài)。

    在控制器關(guān)機(jī)狀態(tài)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(jī)供電。單片機(jī)開始工作，監(jiān)測(cè)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(tài)信息。該設(shè)計(jì)可以滿足控制器在不開機(jī)的情況下對(duì)電池充電。

2.5 單片機(jī)電路

    微機(jī)控制電路如圖6所示：控制部分的核心由C8051F330單片機(jī)組成。該單片機(jī)集成有Flash、內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM、10位AD、17個(gè)數(shù)字I/O引腳等，是一款高效的8位微處理器，極大地簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)。該單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制器電源開關(guān)軟控制；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電電路的電壓、電流信息；對(duì)充電輸出開關(guān)進(jìn)行控制；與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)控制器的遙控關(guān)機(jī)，并上傳電池電量、控制器工作狀態(tài)等信息；控制一個(gè)雙色發(fā)光二極管來指示電池電量及控制器工作狀態(tài)等信息。

    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(guān)按鍵信號(hào)(PON)口；P1.6為電源開關(guān)MOS管控制信號(hào)(SON)口；P1.7為充電輸出控制信號(hào)(VON1)口。

3 軟件設(shè)計(jì)

    采用模塊化軟件設(shè)計(jì)，在主程序中套用各功能子程序，這樣設(shè)計(jì)軟件邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、條理清晰。包括有電壓采樣子程序、電流采樣子程序、充電監(jiān)測(cè)子程序、電量監(jiān)測(cè)子程序、串口通信子程序、狀態(tài)指示子程序。程序流程圖如圖7所示。

3.1 電壓電流采樣子程序

    單片機(jī)內(nèi)置10位AD，實(shí)現(xiàn)對(duì)5 V、12 V電源的電壓、電流采樣；對(duì)充電電路的電流采樣；對(duì)兩塊電池的電壓采樣。充電電流信號(hào)來自LTC4006的8腳(ICD)，12 V及5 V電源的電流信號(hào)來自電流采樣放大芯片LT6107。單片機(jī)對(duì)電源輸出電流信號(hào)進(jìn)行采樣，并進(jìn)行過流保護(hù)，5 V輸出的過流保護(hù)門限設(shè)置為6 A，12 V輸出的過流保護(hù)門限設(shè)置為1.2 A。當(dāng)輸出過流時(shí)，切斷電源輸出(控制信號(hào)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(jù)對(duì)電池電壓及充電電流來綜合判斷充電狀態(tài)。當(dāng)充電電流值大于0.4 A時(shí)，判斷為充電狀態(tài)，指示燈為綠燈閃爍；當(dāng)電池電壓達(dá)到恒壓充電電壓值8.4 V，且充電電流小于0.4 A時(shí)判斷為電池充滿，充電結(jié)束，關(guān)斷充電輸出(VON1信號(hào)置為低電平)，對(duì)應(yīng)的指示燈為綠燈。

3.3 電量監(jiān)測(cè)充電子程序

    分別監(jiān)測(cè)兩塊電池的電壓來估算電池的容量；控制器是分別計(jì)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(shí)按兩塊電池的平均電量來處理，連接一塊電池時(shí)按當(dāng)前電池的電量來處理，控制機(jī)器再根據(jù)容量百分比來進(jìn)行電量信息指示。

3.4 狀態(tài)指示子程序

    單片機(jī)控制一個(gè)雙色發(fā)光二極管(紅綠、共陽)來指示對(duì)應(yīng)的充電、電量故障等狀態(tài)信息：

    (1)充電指示：在充電狀態(tài)下，電池充電指示燈為綠燈閃爍；充滿結(jié)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(yán)重不足(小于20%容量)指示燈為紅燈。

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

    (4)開/關(guān)機(jī)指示：在控制器關(guān)機(jī)充電狀態(tài)下，按下電源開關(guān)，指示燈為紅綠交替閃爍，長按電源開關(guān)約3 s后控制器開機(jī)，指示燈按充電狀態(tài)指示(充電綠燈閃爍、充滿綠燈)，停止開關(guān)按鍵動(dòng)作，完成充電狀態(tài)下開機(jī)動(dòng)作；在控制器開機(jī)充電狀態(tài)下，按下電源開關(guān)機(jī)按鍵，指示燈為紅綠交替閃爍，長按電源開關(guān)約3 s后控制器關(guān)機(jī)，指示燈熄滅，停止開關(guān)按鍵動(dòng)作，指示燈繼續(xù)按充電狀態(tài)指示，完成充電狀態(tài)下關(guān)機(jī)動(dòng)作。

    在控制器關(guān)機(jī)不充電狀態(tài)下，按下電源開關(guān)按鍵，指示燈為紅綠交替閃爍，長按電源開關(guān)約3 s后控制器開機(jī)，指示燈按電量狀態(tài)信息指示(電量充足綠燈、電量不足橙燈、電量嚴(yán)重不足紅燈)，停止開關(guān)按鍵動(dòng)作，完成開機(jī)動(dòng)作；在控制器開機(jī)不充電狀態(tài)下，按下電源開關(guān)按鍵機(jī)，指示燈為紅綠交替閃爍，長按電源開關(guān)約3 s后控制器關(guān)機(jī)，指示燈熄滅，停止開關(guān)按鍵動(dòng)作，完成充電狀態(tài)下關(guān)機(jī)動(dòng)作。

    指示燈的指示優(yōu)點(diǎn)級(jí)別是：故障指示級(jí)別最高，其次是開/關(guān)機(jī)指示，然后是充電指示，最后是電量指示。

3.5 電源開關(guān)機(jī)控制

    單片機(jī)監(jiān)測(cè)到PON信號(hào)為高電平后，啟動(dòng)定時(shí)器2的計(jì)數(shù)器，當(dāng)該定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)大于3 s后，單片機(jī)的SON信號(hào)電平狀態(tài)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電源開關(guān)軟控制。

    單片機(jī)監(jiān)測(cè)到PON信號(hào)為低電平后，定時(shí)器2的計(jì)數(shù)器清零。確保電源開關(guān)只有連續(xù)按3 s才能實(shí)現(xiàn)控制器的開關(guān)機(jī)，避免該開關(guān)的誤動(dòng)作。

    在控制器開機(jī)狀態(tài)下，單片機(jī)接收上位機(jī)的遙控關(guān)機(jī)命令， SON信號(hào)電平置低，控制器關(guān)機(jī)；單片機(jī)電源被斷開，控制器維持關(guān)機(jī)狀態(tài)。

3.6 串口通信

    控制器與上位機(jī)通過RS-232串口通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(jìn)行通信；波特率：9 600 b/s；數(shù)據(jù)位：8位；奇偶效驗(yàn)：無；停止位：1位。

    (2)指令格式：起始符(02)+指令符+[參數(shù)1]+…+<參數(shù)n>+…+結(jié)束符(03)+累加和效驗(yàn)；(  )：(  )內(nèi)的參數(shù)為十六進(jìn)制；[參數(shù)1]：[  ]內(nèi)的參數(shù)必須有；<參數(shù)n>；<  >內(nèi)的參數(shù)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(guān)機(jī)命令。

4 控制器的測(cè)試驗(yàn)證

    根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想制作出的穿戴式系統(tǒng)電源控制器，可以實(shí)現(xiàn)為系統(tǒng)供電；可以在控制器關(guān)機(jī)狀態(tài)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(yán)重不足紅燈；按下按鍵開關(guān)機(jī)時(shí)指示燈紅綠交替閃爍提醒，長按3 s左右控制器能夠開關(guān)機(jī)；充電輸出短路或電源輸出短路、過流時(shí)能夠保護(hù)關(guān)斷相應(yīng)的輸出，并紅燈閃爍指示該故障。其他指標(biāo)測(cè)試如表1所示。

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

5 結(jié)論

    本文對(duì)控制器的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，結(jié)合硬件電路和軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)介紹該設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)其雙電池管理及控制器工作狀態(tài)的監(jiān)控：系統(tǒng)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(jī)工作時(shí)間；配備兩塊電池工作時(shí)，可以隨時(shí)拔下或接入一塊電池，系統(tǒng)不會(huì)斷電；監(jiān)控控制器的充電及電量信息并通過一個(gè)雙色發(fā)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(tǒng)電源控制器具有效率高、體積小、操作簡(jiǎn)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(diǎn)。

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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)