基于Cygnal單片機的智能電源管理系統(tǒng)的設計

摘要：本文介紹了基于Cygnal C8051F020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，適用于便攜式設備和無人值守設備的電源管理。
關鍵詞：電源管理； CYGNAL單片機；電量監(jiān)測 

1、引言

    便攜式產(chǎn)品設計方案在電子產(chǎn)品設計中被廣泛采用，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備狀態(tài)。本設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模塊都可使用，關閉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、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：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)В奖阌脩羰褂脜R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)構設計

    本文所述的電源管理系統(tǒng)采用混合信號設計技術，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成，結(jié)構如圖1所示。

圖1電源管理模塊結(jié)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)及設備的穩(wěn)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(diào)電壓變換器LM2678的電源接入方式可為設備提供穩(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，在電路設計時將LM2678的輸入電壓設為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電源供給設備。以三極管和場效應管組成的可控復合開關為電源管理系統(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240×65點陣MOBI2007模塊，可顯示圖形及各種字符，使用16×16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)合設備的整體設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，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)構設計。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)計算當前狀態(tài)，控制各開關動作，并將系統(tǒng)狀態(tài)顯示在液晶屏上。

本設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，使之便于應用在便攜式移動測試設備中。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 付夢印 劉武光，便攜式設備的電源方案設計 電子技術 2002年 10期

[2]牛黎明 鋰電池在線充放電管理電路的設計 電子技術應用 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