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基于微处理器的锂电池检测系统

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  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  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   ，  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   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  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 ，   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
【基于微处理器的锂电池检测系统】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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