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電池管理及監控設計

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年08月16日  

電池管理及監控設計本文介紹了在WindowsCE系統中,基于電池充電管理芯片bq24032A和電池監控芯片bq26220芯片的電池驅動的實現。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。

1.前言


隨著信息技術的飛速發展,移動終端設備如手機、pDA、掌上電腦等產品正越來越多地得到廣泛使用。加上目前移動終端設備的處理器性能不斷提高、無線應用程序不斷增加、圖形功能越來越先進。功能上的增加,導致了移動終端產品的功耗越來越大;因此,對電池的提出了更高的性能要求,尤其體現在電池的管理方面,其中包括電池的充電管理和電池的監控,這是嵌入式產品開發中必須考慮的問題。


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對電池進行充電。此芯片提供整個系統的電源輸出。其中電池管理芯片bq24032A的VBAT接于電池監控芯片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,系統將自動采用第二種輸入電源進行輸入,電池輸入作為最后的選擇,當USB或AC電源不存在時才選擇使用電池作為供電源。pSEL被設置為低時,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.電池監控芯片bq26220


bq26220芯片是先進的電池設備監控模塊,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、和另外的便攜式產品中。bq26220芯片和主控制器一起執行電池的管理功能,主控制器負責將bq26220的數據傳送到終端用戶電源管理系統中和接收相應的數據。這個模塊提供64比特通用閃存,8比特的IDROM,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控信息或關鍵的電池參數。


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,負責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.電池驅動模型和驅動初始化過程


WindowCE中包含的樣本設備驅動程序分為兩種類型:單片驅動程序(Monolithicdevicedriver)和分層驅動程序(LayeredDevicedriver)。采用分層開發模式可以降低開發難度,縮短開發周期,在電池驅動開發中使用分層驅動開發模式。


分層驅動程序由兩個獨立的層組成:上層是模型設備驅動程序(MDD),下層是依賴平臺的驅動程序(pDD)。設備驅動程序服務器提供的接口(DDSI)是在pDD中實現的函數集,并由MDD調用。由于微軟提供了所有與MDD模塊相關的源代碼,所以對這部分不用做任何改動,只需將自己的pDD模塊與MDD模塊鏈結成一個公用庫即可[3]。MDD通過IoCTLS調用pDD中的特定函數來訪問硬件的具體特性。


WindowsCE電池驅動要求的MDD函數包括:


Init、Deinit、Open、Close、Read、Write、Seek、powerDown、powerUp、IOControl。


WindowsCE電池驅動要求的pDD函數包括:


BatterypDDIniTIalize、BatterypDDDeiniTIalize、BatterypDDGetStatus、BatterypDDGetLevels、


BatterypDDSupportsChangeNoTIficaTIon、BatterypDDpowerHandler、BatterypDDResume。


電池驅動初始化過程


在系統上電自檢成功后,上層調用電池驅動入口函數,進行電池驅動初始化工作:


(1)判斷是否已經進行中斷事件初始化,如果沒有初始化,則進行下面的操作,如果已經進行了一次初始化,則關閉事件句柄。


(2)初始化電池全局變量。


(3)如果中斷事件成功,則調用ResumeThreadproc創建電池線程。在線程的主調函數中,設置電池線程的優先級,然后在循環中等待中斷事件。


(4)調用pDD層的初始化函數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存。


(5)初始化AC97的寄存器。


(6)初始化存放電池電量值的環形緩沖區。


(7)調用BatteryApIGetSystempowerStatusEx2函數更新電池電量結構體pSYSTEMpOWERSTATUS_EX2中的數據。


4.BatteryApIGetSystempowerStatusEx函數


BatteryApIGetSystempowerStatusEx函數主要獲取系統電源狀態值。在執行過程中是通過調用BatteryApIGetSystempowerStatusEx2函數來完成的。而BatteryApIGetSystempowerStatusEx2函數調用BatterypDDGetStatus函數以獲取電池狀態信息,BatterypDDGetStatus函數通過調用GetMainBatteryVoltage獲取主電池電壓值,通過調用GetpowerDevStatus獲取電池設備狀態,并獲取剩余電量的比例值。下圖3為BatteryApIGetSystempowerStatusEx函數調用關系圖:


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)包含電池電壓經過ADC轉換后的結果。這個電壓以11比特、2.44mV為步長、并帶有LSB的二進制形式表達出來。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)偏移數據后的標記比特。


LSB獲取修正因子,以Vμ為單位,主控制器負責通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=0.001mV


偏移量=+10×8mV=80mV


正確的=×(2.44+0.01)-80BATVBATV


程序具體實現流程如下圖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現,電池電量和電池電壓并非成簡單的線性關系,因此需要分區間進行百分比的轉換校正。常溫下,我們設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系圖


在驅動程序中創建了一個為16個字長度的環形緩沖區,采樣點數增加為16個,這樣可以增加對采樣結果的可靠性。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間的分界線,可分為4.10V~3.80V,3.80V~3.60V,3.60V~3.30V這三個區間,對電池電壓值進行分區間的處理,三個區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)


在進行電池電量百分比的轉換時,當我們獲得在559~455區間內的采樣值后,首先獲得原來的百分比值voltage_percent=(even_samp-455)*l00/(559-455)。然后針對不同的區間進行相應的調整,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


本文介紹了在WindowsCE系統中,基于電池充電管理芯片bq24032A和電池監控芯片bq26220芯片的電池驅動的實現。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。


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