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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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。
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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；
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当vl1》vbat》vl2时，电池电量显示为缺2格；
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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
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