基于Cygnal單片機的智能電源管理系統(tǒng)的設(shè)計

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

1、引言

便攜式產(chǎn)品設(shè)計方案在電子產(chǎn)品設(shè)計中被廣泛采用，其具備移動性強、便于攜帶、易操作等優(yōu)點。便攜式設(shè)備需要自身獨立的內(nèi)置電源管理系統(tǒng)，保證其在移動或無人職守狀態(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方法及剩余電量監(jiān)測對電池壽命有著重大的影響，是產(chǎn)品性能的一個重要方面。合理的充電策略對維持畜電池性能延長其使用壽命都有重要的意義。電源管理是一個完整的系統(tǒng)，它不僅包含對畜電池的電量檢測和充放電管理和為設(shè)備提供標準電壓等級和定制電壓等級的電源輸出，還應(yīng)有人機交互的功能。

本文利用Cygnal C8051F02X系列單片機為核心構(gòu)成的控制器，實時檢測電源輸入、蓄電池電壓、充放電電流等參數(shù)，自動完成電源管理過程，并將電源信息通過LCD顯示以便用戶及時了解設(shè)備狀態(tài)。本設(shè)計還具有人機交互接口和通訊接口，可實現(xiàn)控制功能的擴展。

2、C8051F02X系列單片機的特點

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

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

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

3、先進的非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)：所有信號都支持JTAG標準測試接口，方便進行片上在線仿真，固化flash存儲器內(nèi)的程序易于在線升級和調(diào)試。

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

綜上所述，C8051F02X系列單片機具有極低的功耗、強大的處理能力、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

本文所述的電源管理系統(tǒng)采用混合信號設(shè)計技術(shù)，以單片機為核心的數(shù)字電路對電源進行動態(tài)管理，以模擬電路實現(xiàn)對電路的控制驅(qū)動及電源電壓的轉(zhuǎn)換和監(jiān)測。電源管理系統(tǒng)由單片機、電能狀態(tài)檢測電路、電源輸入輸出控制電路、鍵盤與LCD顯示模塊和遠程通訊模塊等構(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

狀態(tài)檢測模塊主要采集輸入電源電壓、電池電壓、電池電流等信號。電壓信號從電阻分壓器獲得，無須放大；電流信號來自采樣電阻，采樣電阻串聯(lián)在系統(tǒng)地回路，采樣信號要求小于0.1V，需要一單端放大電路對信號進行調(diào)理。所有信號送到單片機的A/D輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器的基準電壓設(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，減少外界電壓波動和不穩(wěn)定造成對設(shè)備的不利影響；可提供最高達60W輸出功率時轉(zhuǎn)換效率仍可高達92%^[3]。

考慮到鋰電池的充電飽和電壓為8.4V，在電路設(shè)計時將LM2678的輸入電壓設(shè)為9V。輸入電源再通過一級線性穩(wěn)壓器后直接轉(zhuǎn)換為標準的+3.3V和+5V電源供給設(shè)備。以三極管和場效應(yīng)管組成的可控復(fù)合開關(guān)為電源管理系統(tǒng)輸出非標準電壓等級電源留出擴展接口，以實現(xiàn)單片機對電能輸出的完全可控。

3.3鍵盤與LCD顯示

鍵盤與LCD顯示是進行人機交互的重要手段。單片機具有豐富的IO，擴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個按鍵。系統(tǒng)狀態(tài)信息顯示采用點陣式液晶顯示屏，本系統(tǒng)采用24065點陣MOBI2007模塊，可顯示圖形及各種字符，使用1616字庫可顯示4行，每行15個漢字符。電源狀態(tài)信息以圖文結(jié)合的方式顯示在屏上。

3.4通訊擴展

單片機的兩個串行通訊接口為電源管理系統(tǒng)提供了擴展功能，結(jié)合鍵盤與LCD顯示模塊，可結(jié)合設(shè)備的整體設(shè)計完成特殊的擴展功能，方便的實現(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)化充電過程，縮短充電時間；控制充電電流，無損傷充電；減少充電循環(huán)，延長電池壽命。以聚合物鋰電池充放電特性曲線（如圖2）為依據(jù)，將充電過程分為三個階段，分別是預(yù)充電、快速充電和補充充電^[4]，在不同階段單片機以PWM波對充電電流進行控制，以剩余電量為判斷依據(jù)實現(xiàn)對電池充電過程自動控制，此過程接受人工干預(yù)，用戶可對充放電過程進行手動控制。

圖2充放電特性曲線

5、電源管理軟件設(shè)計

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

本設(shè)計的一個特色就是用軟件實現(xiàn)電量計量，它是一個動態(tài)的過程，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]。每次充放電過程中都會記錄充電量最大值和放電量最大值，兩個量的差作為當(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

本文所介紹的電源管理系統(tǒng)采用了高性能的單片機，其豐富的片內(nèi)資源使得外圍擴展器件少，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)用在便攜式移動測試設(shè)備中。本系統(tǒng)以單片機為核心，軟件與硬件相結(jié)合，用動態(tài)的方法對電能的輸入輸出進行智能化的管理，為設(shè)計便攜式設(shè)備提供了安全可靠的電源解決方案。

參考文獻：

[1]王美玲 付夢印 劉武光，便攜式設(shè)備的電源方案設(shè)計 電子技術(shù) 2002年 10期

[2]牛黎明 鋰電池在線充放電管理電路的設(shè)計 電子技術(shù)應(yīng)用 2002年 04期

[3] National Semiconductor DATASHEET：LM2678 SIMPLE SWITCHER® High Efficiency 5A Step-DownVoltage Regulator

[4] 張洪為 便攜式產(chǎn)品的“心臟”及其護理 Texas Instruments 2004

[5] Cygnal DATASHEET：C8051F02X