基于Cygnal單片機的智能電源管理系統的設計

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，詳細闡述了該系統的工作原理、控制策略及其硬件、軟件實(shí)現。本系統具有配置靈活、可擴展性強等特點(diǎn)，適用于便攜式設備和無(wú)人值守設備的電源管理。
關(guān)鍵詞：電源管理；CYGNAL單片機；電量監測

1、引言

便攜式產(chǎn)品設計方案在電子產(chǎn)品設計中被廣泛采用，其具備移動(dòng)性強、便于攜帶、易操作等優(yōu)點(diǎn)。便攜式設備需要自身獨立的內置電源管理系統，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備內置電源(連續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測對電池壽命有著(zhù)重大的影響，是產(chǎn)品性能的一個(gè)重要方面。合理的充電策略對維持畜電池性能延長(cháng)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，它不僅包含對畜電池的電量檢測和充放電管理和為設備提供標準電壓等級和定制電壓等級的電源輸出，還應有人機交互的功能。

本文利用Cygnal C8051F02X系列單片機為核心構成的控制器，實(shí)時(shí)檢測電源輸入、蓄電池電壓、充放電電流等參數，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(hù)及時(shí)了解設備狀態(tài)。本設計還具有人機交互接口和通訊接口，可實(shí)現控制功能的擴展。

2、C8051F02X系列單片機的特點(diǎn)

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的混合信號系統級芯片[5]，特別適用于電池供電的場(chǎng)合及便攜式設備中，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)單片機所有外設模塊都可使用，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系列單片機內集成了片內看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監視器和溫度傳感器、64KB Flash、4KB RAM、2個(gè)串行通信總線(xiàn)、5個(gè)16位定時(shí)器、可編程計數器陣列（PCA）、8個(gè)12位ADC帶PGA和模擬多路開(kāi)關(guān)、2個(gè)可編程12位DAC、32個(gè)I/O口。

3、先進(jìn)的非侵入式在系統調試技術(shù)：所有信號都支持JTAG標準測試接口，方便進(jìn)行片上在線(xiàn)仿真，固化flash存儲器內的程序易于在線(xiàn)升級和調試。

4、專(zhuān)用IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供全系列單片機配置向導，方便用戶(hù)使用匯編和C語(yǔ)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(kāi)發(fā)環(huán)境。

3 電源管理系統的工作原理與硬件結構設計

本文所述的電源管理系統采用混合信號設計技術(shù)，以單片機為核心的數字電路對電源進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，以模擬電路實(shí)現對電路的控制驅動(dòng)及電源電壓的轉換和監測。電源管理系統由單片機、電能狀態(tài)檢測電路、電源輸入輸出控制電路、鍵盤(pán)與LCD顯示模塊和遠程通訊模塊等構成，結構如圖1所示。

圖1電源管理模塊結構圖

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(wú)須放大；電流信號來(lái)自采樣電阻，采樣電阻串聯(lián)在系統地回路，采樣信號要求小于0.1V，需要一單端放大電路對信號進(jìn)行調理。所有信號送到單片機的A/D輸入端，A/D轉換器的基準電壓設定為+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及設備的穩定工作是十分重要的，基于國家半導體公司生產(chǎn)的DC/DC可調電壓變換器LM2678的電源接入方式可為設備提供穩定可靠的工作電源。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)和不穩定造成對設備的不利影響；可提供最高達60W輸出功率時(shí)轉換效率仍可高達92%^[3]。

考慮到鋰電池的充電飽和電壓為8.4V，在電路設計時(shí)將LM2678的輸入電壓設為9V。輸入電源再通過(guò)一級線(xiàn)性穩壓器后直接轉換為標準的+3.3V和+5V電源供給設備。以三極管和場(chǎng)效應管組成的可控復合開(kāi)關(guān)為電源管理系統輸出非標準電壓等級電源留出擴展接口，以實(shí)現單片機對電能輸出的完全可控。

3.3鍵盤(pán)與LCD顯示

鍵盤(pán)與LCD顯示是進(jìn)行人機交互的重要手段。單片機具有豐富的IO，擴展鍵盤(pán)不需要增加成本，本系統采用低電平中斷方式設置了6個(gè)按鍵。系統狀態(tài)信息顯示采用點(diǎn)陣式液晶顯示屏，本系統采用24065點(diǎn)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(gè)漢字符。電源狀態(tài)信息以圖文結合的方式顯示在屏上。

3.4通訊擴展

單片機的兩個(gè)串行通訊接口為電源管理系統提供了擴展功能，結合鍵盤(pán)與LCD顯示模塊，可結合設備的整體設計完成特殊的擴展功能，方便的實(shí)現多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(cháng)電池壽命。以聚合物鋰電池充放電特性曲線(xiàn)（如圖2）為依據，將充電過(guò)程分為三個(gè)階段，分別是預充電、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(jìn)行控制，以剩余電量為判斷依據實(shí)現對電池充電過(guò)程自動(dòng)控制，此過(guò)程接受人工干預，用戶(hù)可對充放電過(guò)程進(jìn)行手動(dòng)控制。

圖2充放電特性曲線(xiàn)

5、電源管理軟件設計

軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用中斷采集與主循環(huán)計算相互配合的雙層結構設計。系統主時(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)計算當前狀態(tài)，控制各開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并將系統狀態(tài)顯示在液晶屏上。

本設計的一個(gè)特色就是用軟件實(shí)現電量計量，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)量的差作為當前剩余電量百分比的判斷依據。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

6結束語(yǔ)

本文所介紹的電源管理系統采用了高性能的單片機，其豐富的片內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，使之便于應用在便攜式移動(dòng)測試設備中。本系統以單片機為核心，軟件與硬件相結合，用動(dòng)態(tài)的方法對電能的輸入輸出進(jìn)行智能化的管理，為設計便攜式設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(mèng)印 劉武光，便攜式設備的電源方案設計 電子技術(shù) 2002年 10期

[2]牛黎明 鋰電池在線(xiàn)充放電管理電路的設計 電子技術(shù)應用 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