基于S3C2440A的手持式分析診斷儀電池電量計模塊

趙勇飛，江志農(nóng)

（北京化工大學 診斷與自愈工程研究中心，北京 100029）

現(xiàn)代的工業(yè)機械設備結(jié)構(gòu)越來越復雜，長期在高溫、高速狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。運用狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)對工業(yè)機械設備進行狀態(tài)分析和故障預警是保證設備安全平穩(wěn)運行的有效手段，因此，以嵌入式技術(shù)為核心的手持式分析診斷儀在工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛使用。手持式儀器為了保證便攜性大都采用鋰電池供電，電池電量的精確測量可以給儀器的正常使用提供有效的保障。本文采用DS2786B芯片，設計并實現(xiàn)了一款基于S3C2440A處理器的手持式分析診斷儀電池電量計模塊。

1 硬件設計

1.1 S3C2440A處理器簡介

S3C2440A是Samsung公司推出的由ARM公司設計的16/32 bit RISC微處理器，采用的ARM920T內(nèi)核實現(xiàn)了存儲器管理單元 （MMU），先進微控制總線構(gòu)架AMBA總線和哈佛架構(gòu)的高速緩沖體系結(jié)構(gòu)[1]。該結(jié)構(gòu)具有獨立的16 KB指令高速緩存和16 KB數(shù)據(jù)高速緩存。S3C2440A采用全靜態(tài)設計，結(jié)構(gòu)簡潔，為手持設備和普通應用提供了低功耗和高性能的微控制器的解決方案，在嵌入式設備中得到了廣泛應用。

1.2 電池電量計模塊電路

本文的手持式分析診斷儀電池電量計模塊采用的是一款由美國Maxim公司推出的基于開路電壓（OCV）的獨立式電量計量芯片——DS2786B。該芯片利用庫侖計與電池開路電壓的模型組合計算可充電鋰離子（Li+）電池的可用容量。根據(jù)電池閑置期間的OCV，利用存儲在片上EEPROM中的電池特性和應用參數(shù)可以得到電池準確的電量信息。電池在高速率放電時無法使用OCV測量，因此DS2786B使用庫侖計作為估算相對電量的第二種方法[2]。DS2786B也可以監(jiān)測電池電壓、電流和溫度信息。

DS2786B內(nèi)部工作原理框圖如圖1所示。VDD為DS2786B芯片工作電源輸入引腳，輸入范圍為2.5 V～5.5 V；VIN為電池電壓輸入引腳；VSS為芯片地引腳，連接到檢流電阻的電池側(cè)；SNS為電流檢測輸入，連接到檢流電阻的主機側(cè)；VPROG引腳為芯片內(nèi)部EEPROM編程電壓輸入引腳，連接到外部電源編程可以修改EEPROM中儲存的電池模型參數(shù)，正常工作期間連接至VSS；SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，SCL為串行時鐘輸入引腳；AIN0和AIN1為兩個輔助電壓輸入引腳；VOUT為電壓輸出引腳，給輔助輸入電壓測量分壓器供電。

圖1 DS2786B內(nèi)部工作原理框圖

本文的電池電量計模塊由S3C2440A和DS2786B組成，電路圖如圖2所示。電池電量計模塊工作時，DS2786B芯片通過VIN引腳測量鋰電池電壓，依據(jù)芯片內(nèi)部EEPROM存儲的電池OCV曲線模型計算電池的剩余容量。當電池高速率放電時，芯片通過檢流電阻RSNS測量電流并進行加權(quán)累積，用庫侖計計算電池剩余容量。為了提高電流分辨率精度，本模塊中RSNS的阻值為20 mΩ。S3C2440A通過I2C接口讀取DS2786B計算出的電池剩余容量數(shù)據(jù)。EP為裸焊盤，連接至VSS。

圖2 電池電量計模塊電路圖

1.3 電池特性描述

電池電量計模塊對電池電量的精確測量依賴于DS2786B內(nèi)部EEPROM中儲存的OCV電池模型。OCV電池模型是對開路電壓與電池剩余電量關(guān)系的一種9點分段線性近似，可通過改變EEPROM中容量和電壓斷點寄存器進行修改。容量寄存器分辨率為0.5%，容量0固定為0%，容量8固定為100%，不得修改。電壓斷點寄存器分辨率為1.22 mV，每個電壓斷點需要MSB和LSB兩個字節(jié)。

本文的手持式分析診斷儀使用容量為4.8 Ah的鋰電池，電池的OCV曲線如圖3所示，依據(jù)9點分段線性近似選取的電池OCV曲線的電壓斷點數(shù)據(jù)及對應寄存器值如表1所示。

圖3 電池OCV曲線

表1 電池OCV曲線電壓斷點數(shù)據(jù)表

2 軟件設計

2.1 驅(qū)動程序設計

本文的手持式分析診斷儀采用的操作系統(tǒng)是微軟公司的32 bit實時嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 5.0。Windows CE可以在多種架構(gòu)的CPU上運行，內(nèi)核小占用內(nèi)存少，性能穩(wěn)定可靠。DS2786B芯片不是Windows CE系統(tǒng)支持的標準設備，為了保證電量計模塊硬件能與操作系統(tǒng)及應用程序進行數(shù)據(jù)交互，需要使用集成開發(fā)工具Platform Builder 5.0為DS2786B芯片開發(fā)驅(qū)動程序并添加到系統(tǒng)內(nèi)核中。

本文為電池電量計模塊開發(fā)了流接口驅(qū)動程序。流接口驅(qū)動程序也叫可安裝的驅(qū)動程序，是一種用戶模式的動態(tài)鏈接庫（DLL），由設備管理器（device.exe）動態(tài)加載管理。流接口適合于任何在邏輯上被認為是一個數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)存儲的I/O設備，即任何以產(chǎn)生或者消耗數(shù)據(jù)流作為主要功能的外圍設備。流接口驅(qū)動設備對應用程序表現(xiàn)為一個文件，應用程序通過文件API使用設備管理器和流接口驅(qū)動與硬件通信。開發(fā)流接口驅(qū)動需要實現(xiàn)一組標準的流接口函數(shù)[3]。下面給出為DS2786B芯片開發(fā)的流接口驅(qū)動兩個主要的函數(shù)：

（1）FGA_Init（）函數(shù)完成為 S3C2440A 的 I/O 寄存器和I2C寄存器分配虛擬地址并映射到操作系統(tǒng)可以訪問的虛擬地址空間中，并對寄存器進行配置的初始化工作。部分代碼如下：

（2）FGA_Read（）函數(shù)完成對 DS2786B芯片采集到的電池電量數(shù)據(jù)讀取。其中的I2C_WRITE（）和IIC_READ（）是根據(jù)DS2786B的I2C總線接口基本傳輸格式和S3C2440A的I2C總線接口主發(fā)送和主接收模式的操作流程（如圖4所示）編寫的I2C讀寫函數(shù)。代碼如下：

圖4 S3C2440A的I2C總線接口主發(fā)送和主接收模式操作流程圖

DS2786B的流接口驅(qū)動程序編寫完成后，使用Platform Builder對驅(qū)動工程進行編譯生成驅(qū)動的動態(tài)鏈接庫fuelgauge.dll文件，并將其集成到系統(tǒng)內(nèi)核NK.bin中。操作系統(tǒng)運行時，應用程序可以通過文件API調(diào)用驅(qū)動程序。

2.2 應用程序設計及驅(qū)動程序測試

本文使用EVC++集成開發(fā)工具，根據(jù)MFC的消息映射機制[4]為手持式分析診斷儀開發(fā)了一個電池電量實時顯示程序BatCap.exe。BatCap.exe通過調(diào)用fuelgauge.dll實時獲取電池電量數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)界面更新和顯示。程序運行界面如圖5所示。

圖5 電池電量計應用程序運行界面

利用BatCap.exe程序可以對電池電量計模塊驅(qū)動程序進行測試。測試步驟如下：（1）根據(jù)BatCap.exe程序界面電池電量的顯示和圖2的電池OCV曲線圖，得出相應電池剩余電量百分比所對應電池OCV模型中理想開路電壓值；（2）用萬用表測得此時電池的實際開路電壓值，并將兩電壓值進行比較。實驗采用基本精度為±0.1%的UT56數(shù)字萬用表，選取電池剩余電量百分比為 100%（滿電量）、80%、66%（2/3電量）、50%、33%（1/3電量）和 5%（低電量報警電量）6個狀態(tài)進行測量，測試數(shù)據(jù)如表2所示。測試數(shù)據(jù)表明，電池電量模塊驅(qū)動程序測量電池剩余電量相對誤差范圍為±0.30%，能精確地測量電池剩余電量。

表2 電池剩余電量百分比與對應開路電壓數(shù)據(jù)表

本文采用DS2786B芯片，設計并實現(xiàn)了一款基于S3C2440A的手持式分析診斷儀電池電量計模塊，同時開發(fā)了電池電量計模塊在Windows CE 5.0操作系統(tǒng)下的驅(qū)動程序和桌面電池剩余電量實時顯示的應用程序，實現(xiàn)了完整的電池電量計軟硬件模塊。該模塊設計簡單、容易實現(xiàn)，對電池剩余電量測量準確，工作穩(wěn)定可靠，在嵌入式便攜設備中有很好的應用前景。

[1]SAMSUNG Inc.S3C2440A 32-bit microprocessor user′s manual[Z].SAMSUNG Inc，2004.

[2]MAXIM.Stand-alone OCV-based fuel gauge DS2786B data sheet[Z].Maxim Integrated Products，2010.

[3]張冬泉，譚南林，蘇樹強.Windows CE實用開發(fā)技術(shù)[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2009.

[4]DOUGLAS B.Programming Microsoft Windows CE.NET[M].America： Microsoft Press， 2003.