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1、引言 近年來，便攜式電子產品的迅猛發展促進了電池技術的更新換代。鋰離子電池由于其具有高能量密度、長壽命、低自放電率、無污染等特性，迅速成為市場的主流電池產品。為了防止電池出現過充電或過放電狀態、保證電池的安全性能和避免出現電池特性惡化現象，必須在鋰離子電池組中安裝保護電路。同時要鋰電池能夠穩定可靠的為設備提供能量，對于電池的智能檢測與監控是必須考慮的環節。鋰電池供電是現代便攜式設備最合適的供電方案，但其充放電安全性不如鎳鉻電池、鎳氫電池及普通一次性干電池的傳統電源。如果充放電方法不對，將會導致鋰電池發生安全問題，甚至爆炸，故鋰電池有必要加入監控電路以實時監控充放電過程。本文以珠海炬力SOC芯片ATJ2085來設計鋰電池的外圍檢測系統，該設計方案以微處理器作為各種功能控制的核心, 除了對鋰離子電池組提供過充、過放、過流保護外, 還可有效的對鋰離子電池組內各單節鋰電的充、放電提供平衡保護、能夠實時檢測出電池所處狀態并對鋰電池進行保護。 2、ATJ2085的電池監測的功能的使用 ATJ2085為LQFP封裝，64針腳，采用內嵌式的MCU和24-bit DSP雙處理器體系結構，分別完成針對操作事件控制和多媒體數據編/解碼算法的系統級優化，通過數模混合信號技術，在單一硅片上集成了高精度ADC/DAC轉換器、USB控制器，實時時鐘RTC等。支持USB2.0(FULLSPEED)，支援MP3/WMA/WAV/WMV/ASF等格式媒體播放；支持MTV電影播放；支持JPG、GIF、BMP圖片瀏覽。其系統集成度高，外圍應用電路簡單，擁有功能完善而成熟的開發工具和環境。 在ATJ2085中，電池電壓從電池電壓檢測引腳VBATPIN輸入，VBAT的電壓范圍小于3.0伏，所以無論一節堿性電池（1.5V）供電還是兩節堿性電池（3.0V）供電，在外部電池供電電壓小于3.0伏時外部都無需要加分壓電阻。ATJ2085中有一個4bit的ADC，它把0.9-1.5伏之間的電壓16等分為：0.90V，0.94V，0.98V，1.02V，1.06V，1.10V，1.14V，1.18V，1.22V，1.26V，1.30V，1.34V，1.38V，1.42V，1.46V，1.50V。當電池電壓大于3.0伏供電時，BATSEL接高電平，決定了從VBATPIN腳輸入的電壓在比較前會被分壓。并且A/D變換出來的數值會每2秒一次被記錄在IO PORT(D8H).BIT[3:0]里，這樣軟件就可以讀回IO PORT(D8H)中的值，與功能規格表（表1）中的值作比較，來確定要顯示的電池電量及采取的動作。很明顯ATJ2085能在更多點上監測電池電壓。 表1 功能規格表 舉例如下： 假設VL0＞VL1＞VL2＞VL3，電池電量顯示為3格 選VL0=1.30V, 即IO PORT(D8H).BIT[3:0]=0AH， VL1=1.10V, 即IO PORT(D8H).BIT[3:0]=05H， VL2=0.98V, 即IO PORT(D8H).BIT[3:0]=02H， 當VBAT＞VL0時，電池電量顯示為滿格； 當VL0＞VBAT＞VL1時，電池電量顯示為缺1格； 當VL1＞VBAT＞VL2時，電池電量顯示為缺2格； 當VBAT 3、電池檢測系統設計 3.1 電路設計 在本文中檢測電路僅僅列出鋰電池檢測電路的原理圖,該設計考慮到了鋰電池的過壓特性，于是選用SC805電池檢測芯片來進行硬件電路的設計。如下圖所示，電路圖一部分是對于USB充電和過壓的保護設計，另一部分為電池電量檢測 圖1 檢測電路 正如ATJ2085的電池監測的功能的使用描述一樣，需要在電池兩端連接電阻R424和電阻R422（理想狀態下電阻R424和電阻R422比值應該為1：2）來分壓。但是考慮到非理想ADC的量化間隔是非等寬的，這勢必導致ADC器件不能完全正確地把模擬信號轉化成相應的二進制碼，從而造成信噪比的下降；且ADC每個量化的二進制碼所對應的量化間隔都不同，為了使設計的系統參數盡可能準確，我們需要克服微分非線性量化誤差。于是需要調整R424和R422的組值（如圖1所示）。 3.2 電壓檢測 ATJ2085內部有一個4 Bit非理想ADC.作為檢測電源電壓之用。此4 bit ADC可以根據固件(F/W)設定的電壓值，產生LB-和LBNMI-信號。對于鋰電池，由于自身特性不可能使產生的電壓直接可以達到0～1.5，需要利用如下公式分壓： 將分壓后的值與鋰電池實際值進行對應，其電壓檢測如表2所示： 表2 鋰電池電壓檢測表 通過硬件后可以將表2的值對應到表1中去通過調用以下軟件流程進行處理。 3.3 軟件流程 該檢測系統軟件設計流程如圖2所示： 首先清watchdog，然后通過GPIO_A0檢測USB狀態，接下來進行充電引腳GPIO確認并開始充電，充電時將GPIO_A0(如檢測電路圖)寄存器的對應位置高電平，同時利用GPIO_B6進行電池狀態檢測。當需要對4位ADC寄存器讀寫數據時，需要設置其端口值參數，通過電池狀態檢測后，最后將檢測到的電池參數通過顯示函數顯示在LCD上。 其初始化代碼如下： output8(0x4e,input8(0x4e)|0x08)//清watchdog output8(0xee,input8(0xee)|0x01); //初始化端口參數，開始充電 output8(0xf0,input8(0xf0)&0xbf); output8(0xf1,input8(0xf1)|0x40); output8(0xee,input8(0xee)& 0xfe); if((input8(0x50)&0x40)!=0x40) if(!(input8(0xee)&0x04)) //防止充電黑屏后拔掉USB不開 4、結束語 通過該方法設計的鋰電池檢測系統不僅可以有效防止電池的過壓、過充、過放、過溫，同時可以智能監控電池的電壓狀態；該設計方案簡單易行，穩定可靠，對于嵌入式系統的設計與研發具有一定的指導意義和實踐價值。該方法的創新之處在于不管外接干電池、鋰電池還是鎳氫電池均可以用該電路設計方法對電池進行監控。 |
