0 引言

    隨著電子及信息技術(shù)的突飛猛進發(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。本文介紹一款基于單片機控制的穿戴式系統(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；實時監(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，可以用太陽能電源或手搖發(fā)電機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(nèi)部的均衡電路自動優(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電池充電，既可以在控制開機狀態(tài)下充電也可以在控制關(guān)機狀態(tài)下對電池充電。

1.2 控制器供電

    在控制器關(guān)機狀態(tài)下，常按電源開關(guān)約3 s后控制器開機，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，該電池為系統(tǒng)供電；當連接兩塊電池時，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、通信電臺及攝像頭等設(shè)備供電；可實現(xiàn)雙電池的充電供電管理；內(nèi)置單片機實現(xiàn)與上位機通信上傳電源工作狀態(tài)及電池電量等信息。

    (1)工作方式：對電池組充電(在控制器關(guān)機狀態(tài)下也能進行充電)；對用電設(shè)備供電；同時對電池組充電和對用電設(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(guān)機：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；或通過上位機給控制器下發(fā)關(guān)機命令關(guān)閉控制器。

    (5)指示：用一個三色發(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)機指示：長按電源開關(guān)開關(guān)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(shù)指標要求

    主要技術(shù)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(guī)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(shè)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(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來實現(xiàn)，充電過程中充電輸出控制信號VON1為高電平，V4導通；充電結(jié)束后VON1信號為低電平，關(guān)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(guān)斷充電輸出，同時微機監(jiān)測到該短路信息后，通過軟件關(guān)斷充電輸出。

    LTC4006的8腳輸出一個模擬信號，該信號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，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(yīng)成線性關(guān)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(xiàn)輸入防反接保護功能，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(shè)計了雙電池管理電路，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，控制器應(yīng)能自動識別。此時若為充電狀態(tài)，則先對低電量電池充電，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，避免高電量電池對低電量電池放電現(xiàn)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(shè)計的雙電池管理電路。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(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)雙工作時拔下任一塊電池，系統(tǒng)不會出現(xiàn)異常，保持正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)單工作時再加入一塊電池，系統(tǒng)不會出現(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：控制器開機工作時，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(guān)系為：I_5V=I_OUT×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(guān)機控制電路

    開關(guān)控制電路如圖5所示：在控制器關(guān)機狀態(tài)下，按下復位開關(guān)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(jiān)測到約3 s的連續(xù)高平后，其P1.6端口的SON信號反轉(zhuǎn)為高電平，MOS管V22導通，控制器開機；控制器開機后松開開關(guān)K1，單片機電源由VD經(jīng)V24維持供電；控制器維持開機狀態(tài)。

    在控制器開機狀態(tài)下，按下復位開關(guān)K1，單片機監(jiān)測PON信號約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；控制器關(guān)機后松開開關(guān)K1，單片機電源斷開，控制器維持關(guān)機狀態(tài)。

    在控制器關(guān)機狀態(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給單片機供電。單片機開始工作，監(jiān)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(tài)信息。該設(shè)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(nèi)部數(shù)據(jù)RAM、10位AD、17個數(shù)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(shè)計。該單片機實現(xiàn)控制器電源開關(guān)軟控制；實時監(jiān)測充電電路的電壓、電流信息；對充電輸出開關(guān)進行控制；與上位機通信，實現(xiàn)控制器的遙控關(guān)機，并上傳電池電量、控制器工作狀態(tài)等信息；控制一個雙色發(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(PON)口；P1.6為電源開關(guān)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(shè)計

    采用模塊化軟件設(shè)計，在主程序中套用各功能子程序，這樣設(shè)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(jiān)測子程序、電量監(jiān)測子程序、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

    單片機內(nèi)置10位AD，實現(xiàn)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(shè)置為6 A，12 V輸出的過流保護門限設(shè)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(jù)對電池電壓及充電電流來綜合判斷充電狀態(tài)。當充電電流值大于0.4 A時，判斷為充電狀態(tài)，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(jié)束，關(guān)斷充電輸出(VON1信號置為低電平)，對應(yīng)的指示燈為綠燈。

3.3 電量監(jiān)測充電子程序

    分別監(jiān)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(jù)容量百分比來進行電量信息指示。

3.4 狀態(tài)指示子程序

    單片機控制一個雙色發(fā)光二極管(紅綠、共陽)來指示對應(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(xiàn)故障時，指示燈為紅燈閃爍告警。

    (4)開/關(guān)機指示：在控制器關(guān)機充電狀態(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，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)按鍵動作，完成充電狀態(tài)下開機動作；在控制器開機充電狀態(tài)下，按下電源開關(guān)機按鍵，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，指示燈熄滅，停止開關(guān)按鍵動作，指示燈繼續(xù)按充電狀態(tài)指示，完成充電狀態(tài)下關(guān)機動作。

    在控制器關(guān)機不充電狀態(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，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、電量嚴重不足紅燈)，停止開關(guān)按鍵動作，完成開機動作；在控制器開機不充電狀態(tài)下，按下電源開關(guān)按鍵機，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，指示燈熄滅，停止開關(guān)按鍵動作，完成充電狀態(tài)下關(guān)機動作。

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

3.5 電源開關(guān)機控制

    單片機監(jiān)測到PON信號為高電平后，啟動定時器2的計數(shù)器，當該定時計數(shù)器的計數(shù)大于3 s后，單片機的SON信號電平狀態(tài)反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電源開關(guān)軟控制。

    單片機監(jiān)測到PON信號為低電平后，定時器2的計數(shù)器清零。確保電源開關(guān)只有連續(xù)按3 s才能實現(xiàn)控制器的開關(guān)機，避免該開關(guān)的誤動作。

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

3.6 串口通信

    控制器與上位機通過RS-232串口通信，實現(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的方式進行通信；波特率：9 600 b/s；數(shù)據(jù)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(shù)1]+…+<參數(shù)n>+…+結(jié)束符(03)+累加和效驗；(  )：(  )內(nèi)的參數(shù)為十六進制；[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)機命令。

4 控制器的測試驗證

    根據(jù)上述設(shè)計思想制作出的穿戴式系統(tǒng)電源控制器，可以實現(xiàn)為系統(tǒng)供電；可以在控制器關(guān)機狀態(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、嚴重不足紅燈；按下按鍵開關(guān)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(guān)機；充電輸出短路或電源輸出短路、過流時能夠保護關(guān)斷相應(yīng)的輸出，并紅燈閃爍指示該故障。其他指標測試如表1所示。

    控制器各電路都采用高效電路實現(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

    本文對控制器的工作原理進行了詳細的介紹，結(jié)合硬件電路和軟件設(shè)計重點介紹該設(shè)備如何實現(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(tǒng)不會斷電；監(jiān)控控制器的充電及電量信息并通過一個雙色發(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)