基于Cygnal單片機(jī)的智能電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了基于CygnalC8051F020單片機(jī)為主控單元的智能電源管理系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的工作原理、控制策略及其硬件、軟件實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)具有配置靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于便攜式設(shè)備和無(wú)人值守設(shè)備的電源管理。
關(guān)鍵詞：電源管理；CYGNAL單片機(jī)；電量監(jiān)測(cè)

1、引言

便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中被廣泛采用，其具備移動(dòng)性強(qiáng)、便于攜帶、易操作等優(yōu)點(diǎn)。便攜式設(shè)備需要自身獨(dú)立的內(nèi)置電源管理系統(tǒng)，保證其在移動(dòng)或無(wú)人職守狀態(tài)下工作，一般采用可充電的鋰離子電池或鎳氫電池作為設(shè)備內(nèi)置電源(連續(xù)使用三到五年不更換)。蓄電池的使用和保護(hù)方法及剩余電量監(jiān)測(cè)對(duì)電池壽命有著重大的影響，是產(chǎn)品性能的一個(gè)重要方面。合理的充電策略對(duì)維持畜電池性能延長(zhǎng)其使用壽命都有重要的意義。電源管理是一個(gè)完整的系統(tǒng)，它不僅包含對(duì)畜電池的電量檢測(cè)和充放電管理和為設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)和定制電壓等級(jí)的電源輸出，還應(yīng)有人機(jī)交互的功能。

本文利用Cygnal C8051F02X系列單片機(jī)為核心構(gòu)成的控制器，實(shí)時(shí)檢測(cè)電源輸入、蓄電池電壓、充放電電流等參數(shù)，自動(dòng)完成電源管理過(guò)程，并將電源信息通過(guò)LCD顯示以便用戶及時(shí)了解設(shè)備狀態(tài)。本設(shè)計(jì)還具有人機(jī)交互接口和通訊接口，可實(shí)現(xiàn)控制功能的擴(kuò)展。

2、C8051F02X系列單片機(jī)的特點(diǎn)

Cygnal C8051F02X系列單片機(jī)是完全集成的高速高集成度具有獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片[5]，特別適用于電池供電的場(chǎng)合及便攜式設(shè)備中，其特點(diǎn)如下：

1、低功耗：在2.7V電壓32KHz條件下工作電流僅為20uA，這時(shí)單片機(jī)所有外設(shè)模塊都可使用，關(guān)閉flash更可使功耗降低至10uA，正在達(dá)到了微安級(jí)。25M的高速功耗也僅10mA。

2、硬件資源豐富：在F02X系列單片機(jī)內(nèi)集成了片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器、64KB Flash、4KB RAM、2個(gè)串行通信總線、5個(gè)16位定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）、8個(gè)12位ADC帶PGA和模擬多路開關(guān)、2個(gè)可編程12位DAC、32個(gè)I/O口。

3、先進(jìn)的非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)：所有信號(hào)都支持JTAG標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口，方便進(jìn)行片上在線仿真，固化flash存儲(chǔ)器內(nèi)的程序易于在線升級(jí)和調(diào)試。

4、專用IDE集成開發(fā)環(huán)境，提供全系列單片機(jī)配置向?qū)?，方便用戶使用匯編和C語(yǔ)言編程。

綜上所述，C8051F02X系列單片機(jī)具有極低的功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上資源、高效的開發(fā)環(huán)境。

3 電源管理系統(tǒng)的工作原理與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所述的電源管理系統(tǒng)采用混合信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)，以單片機(jī)為核心的數(shù)字電路對(duì)電源進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，以模擬電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制驅(qū)動(dòng)及電源電壓的轉(zhuǎn)換和監(jiān)測(cè)。電源管理系統(tǒng)由單片機(jī)、電能狀態(tài)檢測(cè)電路、電源輸入輸出控制電路、鍵盤與LCD顯示模塊和遠(yuǎn)程通訊模塊等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1電源管理模塊結(jié)構(gòu)圖

3.1電能狀態(tài)檢測(cè)

狀態(tài)檢測(cè)模塊主要采集輸入電源電壓、電池電壓、電池電流等信號(hào)。電壓信號(hào)從電阻分壓器獲得，無(wú)須放大；電流信號(hào)來(lái)自采樣電阻，采樣電阻串聯(lián)在系統(tǒng)地回路，采樣信號(hào)要求小于0.1V，需要一單端放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。所有信號(hào)送到單片機(jī)的A/D輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓設(shè)定為+2.5V。

3.2電源輸入輸出控制

電源輸入接口性能對(duì)電源管理系統(tǒng)及設(shè)備的穩(wěn)定工作是十分重要的，基于國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DC/DC可調(diào)電壓變換器LM2678的電源接入方式可為設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的工作電源。LM2678的優(yōu)點(diǎn)在于可以接受8-40V寬范圍的直流電壓輸入，減少外界電壓波動(dòng)和不穩(wěn)定造成對(duì)設(shè)備的不利影響；可提供最高達(dá)60W輸出功率時(shí)轉(zhuǎn)換效率仍可高達(dá)92%^[3]。

考慮到鋰電池的充電飽和電壓為8.4V，在電路設(shè)計(jì)時(shí)將LM2678的輸入電壓設(shè)為9V。輸入電源再通過(guò)一級(jí)線性穩(wěn)壓器后直接轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的+3.3V和+5V電源供給設(shè)備。以三極管和場(chǎng)效應(yīng)管組成的可控復(fù)合開關(guān)為電源管理系統(tǒng)輸出非標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)電源留出擴(kuò)展接口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電能輸出的完全可控。

3.3鍵盤與LCD顯示

鍵盤與LCD顯示是進(jìn)行人機(jī)交互的重要手段。單片機(jī)具有豐富的IO，擴(kuò)展鍵盤不需要增加成本，本系統(tǒng)采用低電平中斷方式設(shè)置了6個(gè)按鍵。系統(tǒng)狀態(tài)信息顯示采用點(diǎn)陣式液晶顯示屏，本系統(tǒng)采用24065點(diǎn)陣MOBI2007模塊，可顯示圖形及各種字符，使用1616字庫(kù)可顯示4行，每行15個(gè)漢字符。電源狀態(tài)信息以圖文結(jié)合的方式顯示在屏上。

3.4通訊擴(kuò)展

單片機(jī)的兩個(gè)串行通訊接口為電源管理系統(tǒng)提供了擴(kuò)展功能，結(jié)合鍵盤與LCD顯示模塊，可結(jié)合設(shè)備的整體設(shè)計(jì)完成特殊的擴(kuò)展功能，方便的實(shí)現(xiàn)多CPU協(xié)同工作體系，也使得硬件資源得到充分的利用。

4 電源管理控制策略

蓄電池的管理是完全受控于單片機(jī)的，電池與輸入電源是備用關(guān)系。充分參考電池參數(shù)與特性定制以下充電控制原則：優(yōu)化充電過(guò)程，縮短充電時(shí)間；控制充電電流，無(wú)損傷充電；減少充電循環(huán)，延長(zhǎng)電池壽命。以聚合物鋰電池充放電特性曲線（如圖2）為依據(jù)，將充電過(guò)程分為三個(gè)階段，分別是預(yù)充電、快速充電和補(bǔ)充充電^[4]，在不同階段單片機(jī)以PWM波對(duì)充電電流進(jìn)行控制，以剩余電量為判斷依據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電過(guò)程自動(dòng)控制，此過(guò)程接受人工干預(yù)，用戶可對(duì)充放電過(guò)程進(jìn)行手動(dòng)控制。

圖2充放電特性曲線

5、電源管理軟件設(shè)計(jì)

軟件采用C語(yǔ)言編寫，采用中斷采集與主循環(huán)計(jì)算相互配合的雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主時(shí)鐘為24MHz，定時(shí)器定時(shí)200ms產(chǎn)生中斷，在中斷處理中采樣電源信息。主循環(huán)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)，控制各開關(guān)動(dòng)作，并將系統(tǒng)狀態(tài)顯示在液晶屏上。

本設(shè)計(jì)的一個(gè)特色就是用軟件實(shí)現(xiàn)電量計(jì)量，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，其原理是以一次充放電的最大電量差值做作為電池100%的容量^[4]。每次充放電過(guò)程中都會(huì)記錄充電量最大值和放電量最大值，兩個(gè)量的差作為當(dāng)前剩余電量百分比的判斷依據(jù)。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

6結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的電源管理系統(tǒng)采用了高性能的單片機(jī)，其豐富的片內(nèi)資源使得外圍擴(kuò)展器件少，體積小，方便制板和安裝，降低了成本，減少了硬件故障率，使之便于應(yīng)用在便攜式移動(dòng)測(cè)試設(shè)備中。本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，軟件與硬件相結(jié)合，用動(dòng)態(tài)的方法對(duì)電能的輸入輸出進(jìn)行智能化的管理，為設(shè)計(jì)便攜式設(shè)備提供了安全可靠的電源解決方案。

參考文獻(xiàn)：

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