基于微处理器实现锂电池外围检测系统的设计

1、引言

近年来，便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。锂离子电池由于其具有高能量密度、长寿命、低自放电率、无污染等特性，迅速成为市场的主流电池产品。为了防止电池出现过充电或过放电状态、保证电池的安全性能和避免出现电池特性恶化现象，必须在锂离子电池组中安装保护电路。同时要锂电池能够稳定可靠的为设备提供能量，对于电池的智能检测与监控是必须考虑的环节。锂电池供电是现代便携式设备最合适的供电方案，但其充放电安全性不如镍铬电池、镍氢电池及普通一次性干电池的传统电源。如果充放电方法不对，将会导致锂电池发生安全问题，甚至爆炸，故锂电池有必要加入监控电路以实时监控充放电过程。本文以珠海炬力SOC芯片ATJ2085来设计锂电池的外围检测系统，该设计方案以微处理器作为各种功能控制的核心， 除了对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外， 还可有效的对锂离子电池组内各单节锂电的充、放电提供平衡保护、能够实时检测出电池所处状态并对锂电池进行保护。

2、ATJ2085的电池监测的功能的使用

ATJ2085为LQFP封装，64针脚，采用内嵌式的MCU和24-bit DSP双处理器体系结构，分别完成针对操作事件控制和多媒体数据编/解码算法的系统级优化，通过数模混合信号技术，在单一硅片上集成了高精度ADC/DAC转换器、USB控制器，实时时钟RTC等。支持USB2.0（FULLSPEED），支援MP3/WMA/WAV/WMV/ASF等格式媒体播放；支持MTV电影播放；支持JPG、GIF、BMP图片浏览。其系统集成度高，外围应用电路简单，拥有功能完善而成熟的开发工具和环境。

在ATJ2085中，电池电压从电池电压检测引脚VBATPIN输入，VBAT的电压范围小于3.0伏，所以无论一节碱性电池（1.5V）供电还是两节碱性电池（3.0V）供电，在外部电池供电电压小于3.0伏时外部都无需要加分压电阻。ATJ2085中有一个4bit的ADC，它把0.9-1.5伏之间的电压16等分为：0.90V，0.94V，0.98V，1.02V，1.06V，1.10V，1.14V，1.18V，1.22V，1.26V，1.30V，1.34V，1.38V，1.42V，1.46V，1.50V。当电池电压大于3.0伏供电时，BATSEL接高电平，决定了从VBATPIN脚输入的电压在比较前会被分压。并且A/D变换出来的数值会每2秒一次被记录在IO PORT（D8H）.BIT［3:0］里，这样软件就可以读回IO PORT（D8H）中的值，与功能规格表（表1）中的值作比较，来确定要显示的电池电量及采取的动作。很明显ATJ2085能在更多点上监测电池电压。

举例如下：

假设VL0》VL1》VL2》VL3，电池电量显示为3格

选VL0=1.30V， 即IO PORT（D8H）.BIT［3:0］=0AH，

VL1=1.10V， 即IO PORT（D8H）.BIT［3:0］=05H，

VL2=0.98V， 即IO PORT（D8H）.BIT［3:0］=02H，

当VBAT》VL0时，电池电量显示为满格；

当VL0》VBAT》VL1时，电池电量显示为缺1格；

当VL1》VBAT》VL2时，电池电量显示为缺2格；

当VBAT《VL2时，电池电量显示为缺3格，即空格，并闪烁。

另外，当电池的电压低于某个电压时（假设VL2），软件把一些耗电大的电路关断（利用IO PORT控制），如DSP，DAC等等。当VBAT PIN脚上的电压低于LBD PIN脚的电压时，ATJ2085仍会被无条件复位。

3、电池检测系统设计

3.1 电路设计

在本文中检测电路仅仅列出锂电池检测电路的原理图，该设计考虑到了锂电池的过压特性，于是选用SC805电池检测芯片来进行硬件电路的设计。如下图所示，电路图一部分是对于USB充电和过压的保护设计，另一部分为电池电量检测

正如ATJ2085的电池监测的功能的使用描述一样，需要在电池两端连接电阻R424和电阻R422（理想状态下电阻R424和电阻R422比值应该为1：2）来分压。但是考虑到非理想ADC的量化间隔是非等宽的，这势必导致ADC器件不能完全正确地把模拟信号转化成相应的二进制码，从而造成信噪比的下降；且ADC每个量化的二进制码所对应的量化间隔都不同，为了使设计的系统参数尽可能准确，我们需要克服微分非线性量化误差。于是需要调整R424和R422的组值（如图1所示）。

3.2 电压检测

ATJ2085内部有一个4 Bit非理想 ADC.作为检测电源电压之用。此4 bit ADC可以根据固件（F/W）设定的电压值，产生LB-和LBNMI-信号。对于锂电池，由于自身特性不可能使产生的电压直接可以达到0～1.5，需要利用如下公式分压：

将分压后的值与锂电池实际值进行对应，其电压检测如表2所示：

通过硬件后可以将表2的值对应到表1中去通过调用以下软件流程进行处理。

3.3 软件流程

该检测系统软件设计流程如图2所示：

首先清watchdog，然后通过GPIO_A0检测USB状态，接下来进行充电引脚GPIO确认并开始充电，充电时将GPIO_A0（如检测电路图）寄存器的对应位置高电平，同时利用GPIO_B6进行电池状态检测［6］［7］。当需要对4位ADC寄存器读写数据时，需要设置其端口值参数，通过电池状态检测后，最后将检测到的电池参数通过显示函数显示在LCD上。

其初始化代码如下：

output8（0x4e，input8（0x4e）|0x08）//清watchdog

output8（0xee，input8（0xee）|0x01）; //初始化端口参数，开始充电

output8（0xf0，input8（0xf0）&0xbf）;

output8（0xf1，input8（0xf1）|0x40）;

output8（0xee，input8（0xee）& 0xfe）;

if（（input8（0x50）&0x40）！=0x40）

if（！（input8（0xee）&0x04）） //防止充电黑屏后拔掉USB不开

4、结束语

通过该方法设计的锂电池检测系统不仅可以有效防止电池的过压、过充、过放、过温，同时可以智能监控电池的电压状态；该设计方案简单易行，稳定可靠，对于嵌入式系统的设计与研发具有一定的指导意义和实践价值。该方法的创新之处在于不管外接干电池、锂电池还是镍氢电池均可以用该电路设计方法对电池进行监控。

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