電池管理及監(jiān)控設(shè)計分析

1. 前言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，移動終端設(shè)備如手機、PDA、掌上電腦等產(chǎn)品正越來越多地得到廣泛使用。加上目前移動終端設(shè)備的處理器性能不斷提高、無線應(yīng)用程序不斷增加、圖形功能越來越先進(jìn)。功能上的增加，導(dǎo)致了移動終端產(chǎn)品的功耗越來越大;因此，對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)品開發(fā)中必須考慮的問題。

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bq24032A對電池進(jìn)行充電。此芯片提供整個系統(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電源不存在時才選擇使用電池作為供電源。PSEL被設(shè)置為低時，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：

圖1 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)。這個模塊提供64比特通用閃存，8比特的ID ROM，和32比特的RAM存儲空間。這些非易失的存儲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為電池電壓檢測輸入端口，這個引腳被用于檢測和測量電池的電壓值。HDQ為單線HDQ接口，是一個單線串行通信接口，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)動模型和驅(qū)動初始化過程

Window CE中包含的樣本設(shè)備驅(qū)動程序分為兩種類型：單片驅(qū)動程序(Monolithic device driver)和分層驅(qū)動程序(Layered Device driver)。采用分層開發(fā)模式可以降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，在電池驅(qū)動開發(fā)中使用分層驅(qū)動開發(fā)模式。

分層驅(qū)動程序由兩個獨立的層組成：上層是模型設(shè)備驅(qū)動程序(MDD)，下層是依賴平臺的驅(qū)動程序(PDD)。設(shè)備驅(qū)動程序服務(wù)器提供的接口(DDSI)是在PDD中實現(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，所以對這部分不用做任何改動，只需將自己的PDD模塊與MDD模塊鏈結(jié)成一個公用庫即可[3]。MDD通過IoCTLS調(diào)用PDD中的特定函數(shù)來訪問硬件的具體特性。

Windows CE電池驅(qū)動要求的MDD函數(shù)包括：

Init、Deinit、Open、Close、Read、Write、Seek、PowerDown、PowerUp、IOControl。

Windows CE電池驅(qū)動要求的PDD函數(shù)包括：

BatteryPDDInitialize、BatteryPDDDeinitialize、BatteryPDDGetStatus、BatteryPDDGetLevels、

BatteryPDDSupportsChangeNotification、BatteryPDDPowerHandler、 BatteryPDDResume。

電池驅(qū)動初始化過程

在系統(tǒng)上電自檢成功后，上層調(diào)用電池驅(qū)動入口函數(shù)，進(jìn)行電池驅(qū)動初始化工作：

(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，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PSYSTEM POWERSTATUS_ 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)行過程中是通過調(diào)用BatteryAPIGetSystemPowerStatusEx2函數(shù)來完成的。而BatteryAPIGetSystemPowerStatusEx2函數(shù)調(diào)用BatteryPDDGetStatus函數(shù)以獲取電池狀態(tài)信息，BatteryPDDGetStatus函數(shù)通過調(diào)用GetMainBatteryVoltage獲取主電池電壓值，通過調(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BAT端口檢測電池電源，并且通過寄存器BATH-BATL傳遞給上層。這個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ADC轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。這個電壓以11比特、2.44mV為步長、并帶有LSB的二進(jìn)制形式表達(dá)出來。BATH寄存器的第3比特代表MSB，BATL的第0比特代表LSB。最大電壓測量范圍為5V。

BATH寄存器的第3比特到第7比特存儲電壓ADC后的偏移量信息，這個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測量ADC后的電壓值。下面是計算公式：

正確的=×(2.44+LSB修正因子)-偏移量 BATVBATV

計算舉例如下：

例如：如果真實的LSB=+2.45mV，偏移量=+80mV

計算正確的： BATV

LSB修正因子=+10Vμ=0.001 mV

偏移量=+10 ×8mV=80 mV

正確的=×(2.44+0.01)-80 BATVBATV

程序具體實現(xiàn)流程如下圖4：

6. 電池電量計算方法

原來電池電量百分比顯示的其實是電壓百分比。可是硬件方面測試發(fā)現(xiàn)，電池電量和電池電壓并非成簡單的線性關(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，我們設(shè)備獲得的電池電壓和電量曲線大致如下(圖5)：

圖5 電池電壓和電量的關(guān)系圖

在驅(qū)動程序中創(chuàng)建了一個為16個字長度的環(huán)形緩沖區(qū)，采樣點數(shù)增加為16個，這樣可以增加對采樣結(jié)果的可靠性。電池電壓采樣值even_samp為16個采樣值的和去掉一個最大值和一個最小值后再取平均值。

在我們的移動終端設(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這三個區(qū)間，對電池電壓值進(jìn)行分區(qū)間的處理，三個區(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，當(dāng)我們獲得在559~455區(qū)間內(nèi)的采樣值后，首先獲得原來的百分比值voltage_percent= (even_samp-455) * l00/(559-455)。然后針對不同的區(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)

通過對以上三個區(qū)間的分別處理，這樣就獲得了相對正確的電池電量[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)動的實現(xiàn)。主要介紹了電池電壓的獲取和電池電量的計算方法。對電池管理提供了很好的借鑒。