鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2019年08月16日
電池管理及監(jiān)控設(shè)計(jì)
1.前言
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)終端設(shè)備如手機(jī)、pDA、掌上電腦等產(chǎn)品正越來(lái)越多地得到廣泛使用。加上目前移動(dòng)終端設(shè)備的處理器性能不斷提高、無(wú)線應(yīng)用程序不斷增加、圖形功能越來(lái)越先進(jìn)。功能上的增加，導(dǎo)致了移動(dòng)終端產(chǎn)品的功耗越來(lái)越大;因此，對(duì)電池的提出了更高的性能要求，尤其體現(xiàn)在電池的管理方面，其中包括電池的充電管理和電池的監(jiān)控，這是嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中必須考慮的問(wèn)題。
2.電池管理芯片介紹
2.1.電池充電管理芯片bq24032A
電池管理芯片bq24032A支持USB充電和AC充電方式。通過(guò)bq24032A對(duì)電池進(jìn)行充電。此芯片提供整個(gè)系統(tǒng)的電源輸出。其中電池管理芯片bq24032A的VBAT接于電池監(jiān)控芯片bq26220的VBAT引腳。pSEL為電源選擇端口，可以用于選擇由那種輸入電源作為主輸入電源(USB或AC)。如果主輸入電源不可用，系統(tǒng)將自動(dòng)采用第二種輸入電源進(jìn)行輸入，電池輸入作為最后的選擇，當(dāng)USB或AC電源不存在時(shí)才選擇使用電池作為供電源。pSEL被設(shè)置為低時(shí)，USB被選擇為主輸入[1]。下圖1為電池管理芯片bq24032A及其外圍電路圖：
2.2.電池監(jiān)控芯片bq26220
bq26220芯片是先進(jìn)的電池設(shè)備監(jiān)控模塊，它可精確地測(cè)量充電和放電電流，并支持所有管理電池容量的必要功能，這個(gè)芯片可用于手持電話、pDA、和另外的便攜式產(chǎn)品中。bq26220芯片和主控制器一起執(zhí)行電池的管理功能，主控制器負(fù)責(zé)將bq26220的數(shù)據(jù)傳送到終端用戶電源管理系統(tǒng)中和接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這個(gè)模塊提供64比特通用閃存，8比特的IDROM，和32比特的RAM存儲(chǔ)空間。這些非易失的存儲(chǔ)空間能夠保存電池的監(jiān)控信息或關(guān)鍵的電池參數(shù)。
其中，BAT為電池電壓檢測(cè)輸入端口，這個(gè)引腳被用于檢測(cè)和測(cè)量電池的電壓值。HDQ為單線HDQ接口，是一個(gè)單線串行通信接口，它是雙向輸入的，負(fù)責(zé)將寄存器的信息傳遞給主控制器，并接收主控制器的信息到寄存器中，電池監(jiān)控芯片bq26220的HDQ端口接于pXA272處理器的GpIO119端口[2]。下圖2為bq26220芯片原理模塊圖：
3.電池驅(qū)動(dòng)模型和驅(qū)動(dòng)初始化過(guò)程
WindowCE中包含的樣本設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分為兩種類型：?jiǎn)纹?qū)動(dòng)程序(Monolithicdevicedriver)和分層驅(qū)動(dòng)程序(LayeredDevicedriver)。采用分層開(kāi)發(fā)模式可以降低開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期，在電池驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)中使用分層驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)模式。
分層驅(qū)動(dòng)程序由兩個(gè)獨(dú)立的層組成：上層是模型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(MDD)，下層是依賴平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序(pDD)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序服務(wù)器提供的接口(DDSI)是在pDD中實(shí)現(xiàn)的函數(shù)集，并由MDD調(diào)用。由于微軟提供了所有與MDD模塊相關(guān)的源代碼，所以對(duì)這部分不用做任何改動(dòng)，只需將自己的pDD模塊與MDD模塊鏈結(jié)成一個(gè)公用庫(kù)即可[3]。MDD通過(guò)IoCTLS調(diào)用pDD中的特定函數(shù)來(lái)訪問(wèn)硬件的具體特性。
WindowsCE電池驅(qū)動(dòng)要求的MDD函數(shù)包括：
Init、Deinit、Open、Close、Read、Write、Seek、powerDown、powerUp、IOControl。
WindowsCE電池驅(qū)動(dòng)要求的pDD函數(shù)包括：
BatterypDDIniTIalize、BatterypDDDeiniTIalize、BatterypDDGetStatus、BatterypDDGetLevels、
BatterypDDSupportsChangeNoTIficaTIon、BatterypDDpowerHandler、BatterypDDResume。
電池驅(qū)動(dòng)初始化過(guò)程
在系統(tǒng)上電自檢成功后，上層調(diào)用電池驅(qū)動(dòng)入口函數(shù)，進(jìn)行電池驅(qū)動(dòng)初始化工作：
(1)判斷是否已經(jīng)進(jìn)行中斷事件初始化，如果沒(méi)有初始化，則進(jìn)行下面的操作，如果已經(jīng)進(jìn)行了一次初始化，則關(guān)閉事件句柄。
(2)初始化電池全局變量。
(3)如果中斷事件成功，則調(diào)用ResumeThreadproc創(chuàng)建電池線程。在線程的主調(diào)函數(shù)中，設(shè)置電池線程的優(yōu)先級(jí)，然后在循環(huán)中等待中斷事件。
(4)調(diào)用pDD層的初始化函數(shù)BatterypDDInitialize;在pDD層中，為GpIO寄存器和電源管理寄存器開(kāi)辟兩段虛擬內(nèi)存。
(5)初始化AC97的寄存器。
(6)初始化存放電池電量值的環(huán)形緩沖區(qū)。
(7)調(diào)用BatteryApIGetSystempowerStatusEx2函數(shù)更新電池電量結(jié)構(gòu)體pSYSTEMpOWERSTATUS_EX2中的數(shù)據(jù)。
4.BatteryApIGetSystempowerStatusEx函數(shù)
BatteryApIGetSystempowerStatusEx函數(shù)主要獲取系統(tǒng)電源狀態(tài)值。在執(zhí)行過(guò)程中是通過(guò)調(diào)用BatteryApIGetSystempowerStatusEx2函數(shù)來(lái)完成的。而B(niǎo)atteryApIGetSystempowerStatusEx2函數(shù)調(diào)用BatterypDDGetStatus函數(shù)以獲取電池狀態(tài)信息，BatterypDDGetStatus函數(shù)通過(guò)調(diào)用GetMainBatteryVoltage獲取主電池電壓值，通過(guò)調(diào)用GetpowerDevStatus獲取電池設(shè)備狀態(tài)，并獲取剩余電量的比例值。下圖3為BatteryApIGetSystempowerStatusEx函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖：
5.CalcMainBatteryVoltage獲取電池電壓值
Bq26220通過(guò)BAT端口檢測(cè)電池電源，并且通過(guò)寄存器BATH-BATL傳遞給上層。這個(gè)BATH(地址=0x72——從第0比特到第2比特)和BATL低比特寄存器(地址=0x71——從第0比特到第7比特)包含電池電壓經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。這個(gè)電壓以11比特、2.44mV為步長(zhǎng)、并帶有LSB的二進(jìn)制形式表達(dá)出來(lái)。BATH寄存器的第3比特代表MSB，BATL的第0比特代表LSB。最大電壓測(cè)量范圍為5V。
BATH寄存器的第3比特到第7比特存儲(chǔ)電壓ADC后的偏移量信息，這個(gè)最重要的信息比特是在4比特(第3比特到第7比特)偏移數(shù)據(jù)后的標(biāo)記比特。
LSB獲取修正因子，以Vμ為單位，主控制器負(fù)責(zé)通LSB獲取修正因子和偏移量來(lái)測(cè)量ADC后的電壓值。下面是計(jì)算公式：
正確的=×(2.44+LSB修正因子)-偏移量BATVBATV
計(jì)算舉例如下：
例如：如果真實(shí)的LSB=+2.45mV，偏移量=+80mV
計(jì)算正確的：BATV
LSB修正因子=+10Vμ=0.001mV
偏移量=+10×8mV=80mV
正確的=×(2.44+0.01)-80BATVBATV
程序具體實(shí)現(xiàn)流程如下圖4：
6.電池電量計(jì)算方法
原來(lái)電池電量百分比顯示的其實(shí)是電壓百分比。可是硬件方面測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電池電量和電池電壓并非成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因此需要分區(qū)間進(jìn)行百分比的轉(zhuǎn)換校正。常溫下，我們?cè)O(shè)備獲得的電池電壓和電量曲線大致如下(圖5)：
在驅(qū)動(dòng)程序中創(chuàng)建了一個(gè)為16個(gè)字長(zhǎng)度的環(huán)形緩沖區(qū)，采樣點(diǎn)數(shù)增加為16個(gè)，這樣可以增加對(duì)采樣結(jié)果的可靠性。電池電壓采樣值even_samp為16個(gè)采樣值的和去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值后再取平均值。
在我們的移動(dòng)終端設(shè)備中，電池的最大電壓為559(4.10V)，最小電壓為455(3.30V)，以圖5中的兩條虛線作為區(qū)間的分界線，可分為4.10V~3.80V，3.80V~3.60V，3.60V~3.30V這三個(gè)區(qū)間，對(duì)電池電壓值進(jìn)行分區(qū)間的處理，三個(gè)區(qū)間上的曲線斜率近似為：
4.1V～3.80V：Kl=(100-70)/(4.10-3.80)
3.80V～3.60V：K2=(70-20)/(3.80—3.60)
3.60V～3.30V：K3=20/(3.60-3.30)
4.10V～3.30V：K=100/(4.10-3.30)
在進(jìn)行電池電量百分比的轉(zhuǎn)換時(shí)，當(dāng)我們獲得在559~455區(qū)間內(nèi)的采樣值后，首先獲得原來(lái)的百分比值voltage_percent=(even_samp-455)*l00/(559-455)。然后針對(duì)不同的區(qū)間進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，得到的電量百分比分別為：
4.10V～3.80V：voltage_ercent+=(4.10-even_samp*7.5/1024)×(K-K1)
3.80V～3.60V：voltage_percent+=(3.80-even_samp*7.5/1024)×(K-K2)
3.60V～3.30V：voltage_percent-=(even_samp-3.30V*7.5/1024)×(K-K3)
通過(guò)對(duì)以上三個(gè)區(qū)間的分別處理，這樣就獲得了相對(duì)正確的電池電量[4]。
7.小結(jié)
本文介紹了在WindowsCE系統(tǒng)中,基于電池充電管理芯片bq24032A和電池監(jiān)控芯片bq26220芯片的電池驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。主要介紹了電池電壓的獲取和電池電量的計(jì)算方法。對(duì)電池管理提供了很好的借鑒。
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