趙勇飛，江志農(nóng)

（北京化工大學(xué) 診斷與自愈工程研究中心，北京 100029）

現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，長(zhǎng)期在高溫、高速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)分析和故障預(yù)警是保證設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)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(cè)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(shè)計(jì)并實(shí)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(jì)模塊。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 S3C2440A處理器簡(jiǎn)介

S3C2440A是Samsung公司推出的由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32 bit RISC微處理器，采用的ARM920T內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器管理單元 （MMU），先進(jìn)微控制總線(xiàn)構(gòu)架AMBA總線(xiàn)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(dú)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(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，為手持設(shè)備和普通應(yīng)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(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 電池電量計(jì)模塊電路

本文的手持式分析診斷儀電池電量計(jì)模塊采用的是一款由美國(guó)Maxim公司推出的基于開(kāi)路電壓（OCV）的獨(dú)立式電量計(jì)量芯片——DS2786B。該芯片利用庫(kù)侖計(jì)與電池開(kāi)路電壓的模型組合計(jì)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(chǔ)在片上EEPROM中的電池特性和應(yīng)用參數(shù)可以得到電池準(zhǔn)確的電量信息。電池在高速率放電時(shí)無(wú)法使用OCV測(cè)量，因此DS2786B使用庫(kù)侖計(jì)作為估算相對(duì)電量的第二種方法[2]。DS2786B也可以監(jiān)測(cè)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(cè)輸入，連接到檢流電阻的主機(jī)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(chǔ)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(shí)鐘輸入引腳；AIN0和AIN1為兩個(gè)輔助電壓輸入引腳；VOUT為電壓輸出引腳，給輔助輸入電壓測(cè)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(jì)模塊由S3C2440A和DS2786B組成，電路圖如圖2所示。電池電量計(jì)模塊工作時(shí)，DS2786B芯片通過(guò)VIN引腳測(cè)量鋰電池電壓，依據(jù)芯片內(nèi)部EEPROM存儲(chǔ)的電池OCV曲線(xiàn)模型計(jì)算電池的剩余容量。當(dāng)電池高速率放電時(shí)，芯片通過(guò)檢流電阻RSNS測(cè)量電流并進(jìn)行加權(quán)累積，用庫(kù)侖計(jì)計(jì)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(guò)I2C接口讀取DS2786B計(jì)算出的電池剩余容量數(shù)據(jù)。EP為裸焊盤(pán)，連接至VSS。

圖2 電池電量計(jì)模塊電路圖

1.3 電池特性描述

電池電量計(jì)模塊對(duì)電池電量的精確測(cè)量依賴(lài)于DS2786B內(nèi)部EEPROM中儲(chǔ)存的OCV電池模型。OCV電池模型是對(duì)開(kāi)路電壓與電池剩余電量關(guān)系的一種9點(diǎn)分段線(xiàn)性近似，可通過(guò)改變EEPROM中容量和電壓斷點(diǎn)寄存器進(jìn)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(diǎn)寄存器分辨率為1.22 mV，每個(gè)電壓斷點(diǎn)需要MSB和LSB兩個(gè)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(xiàn)如圖3所示，依據(jù)9點(diǎn)分段線(xiàn)性近似選取的電池OCV曲線(xiàn)的電壓斷點(diǎn)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)寄存器值如表1所示。

圖3 電池OCV曲線(xiàn)

表1 電池OCV曲線(xiàn)電壓斷點(diǎn)數(shù)據(jù)表

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

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(shí)時(shí)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，為了保證電量計(jì)模塊硬件能與操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，需要使用集成開(kāi)發(fā)工具Platform Builder 5.0為DS2786B芯片開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序并添加到系統(tǒng)內(nèi)核中。

本文為電池電量計(jì)模塊開(kāi)發(fā)了流接口驅(qū)動(dòng)程序。流接口驅(qū)動(dòng)程序也叫可安裝的驅(qū)動(dòng)程序，是一種用戶(hù)模式的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL），由設(shè)備管理器（device.exe）動(dòng)態(tài)加載管理。流接口適合于任何在邏輯上被認(rèn)為是一個(gè)數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的I/O設(shè)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(shè)備。流接口驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)應(yīng)用程序表現(xiàn)為一個(gè)文件，應(yīng)用程序通過(guò)文件API使用設(shè)備管理器和流接口驅(qū)動(dòng)與硬件通信。開(kāi)發(fā)流接口驅(qū)動(dòng)需要實(shí)現(xiàn)一組標(biāo)準(zhǔn)的流接口函數(shù)[3]。下面給出為DS2786B芯片開(kāi)發(fā)的流接口驅(qū)動(dòng)兩個(gè)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(fǎng)問(wèn)的虛擬地址空間中，并對(duì)寄存器進(jìn)行配置的初始化工作。部分代碼如下：

（2）FGA_Read（）函數(shù)完成對(duì) 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(xiàn)接口基本傳輸格式和S3C2440A的I2C總線(xiàn)接口主發(fā)送和主接收模式的操作流程（如圖4所示）編寫(xiě)的I2C讀寫(xiě)函數(shù)。代碼如下：

圖4 S3C2440A的I2C總線(xiàn)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(dòng)程序編寫(xiě)完成后，使用Platform Builder對(duì)驅(qū)動(dòng)工程進(jìn)行編譯生成驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序可以通過(guò)文件API調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序。

2.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)程序測(cè)試

本文使用EVC++集成開(kāi)發(fā)工具，根據(jù)MFC的消息映射機(jī)制[4]為手持式分析診斷儀開(kāi)發(fā)了一個(gè)電池電量實(shí)時(shí)顯示程序BatCap.exe。BatCap.exe通過(guò)調(diào)用fuelgauge.dll實(shí)時(shí)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(yùn)行界面如圖5所示。

圖5 電池電量計(jì)應(yīng)用程序運(yùn)行界面

利用BatCap.exe程序可以對(duì)電池電量計(jì)模塊驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行測(cè)試。測(cè)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(xiàn)圖，得出相應(yīng)電池剩余電量百分比所對(duì)應(yīng)電池OCV模型中理想開(kāi)路電壓值；（2）用萬(wàn)用表測(cè)得此時(shí)電池的實(shí)際開(kāi)路電壓值，并將兩電壓值進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)采用基本精度為±0.1%的UT56數(shù)字萬(wàn)用表，選取電池剩余電量百分比為 100%（滿(mǎn)電量）、80%、66%（2/3電量）、50%、33%（1/3電量）和 5%（低電量報(bào)警電量）6個(gè)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，電池電量模塊驅(qū)動(dòng)程序測(cè)量電池剩余電量相對(duì)誤差范圍為±0.30%，能精確地測(cè)量電池剩余電量。

表2 電池剩余電量百分比與對(duì)應(yīng)開(kāi)路電壓數(shù)據(jù)表

本文采用DS2786B芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于S3C2440A的手持式分析診斷儀電池電量計(jì)模塊，同時(shí)開(kāi)發(fā)了電池電量計(jì)模塊在Windows CE 5.0操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)程序和桌面電池剩余電量實(shí)時(shí)顯示的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了完整的電池電量計(jì)軟硬件模塊。該模塊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)電池剩余電量測(cè)量準(zhǔn)確，工作穩(wěn)定可靠，在嵌入式便攜設(shè)備中有很好的應(yīng)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(shù)強(qiáng).Windows CE實(shí)用開(kāi)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.