基于Cygnal单片机的智能电源管理系统的设计

摘要：本文介绍了基于Cygnal C8051F020单片机为主控单元的智能电源管理系统，详细阐述了该系统的工作原理、控制策略及其硬件、软件实现。本系统具有配置灵活、可扩展性强等特点，适用于便携式设备和无人值守设备的电源管理。
关键词：电源管理； CYGNAL单片机；电量监测 

1、引言

    便携式产品设计方案在电子产品设计中被广泛采用，其具备移动性强、便于携带、易操作等优点。便携式设备需要自身独立的内置电源管理系统，保证其在移动或无人职守状态下工作，一般采用可充电的锂离子电池或镍氢电池作为设备内置电源(连续使用三到五年不更换)。蓄电池的使用和保护方法及剩余电量监测对电池寿命有着重大的影响，是产品性能的一个重要方面。合理的充电策略对维持畜电池性能延长其使用寿命都有重要的意义。电源管理是一个完整的系统，它不仅包含对畜电池的电量检测和充放电管理和为设备提供标准电压等级和定制电压等级的电源输出，还应有人机交互的功能。

本文利用Cygnal C8051F02X系列单片机为核心构成的控制器，实时检测电源输入、蓄电池电压、充放电电流等参数，自动完成电源管理过程，并将电源信息通过LCD显示以便用户及时了解设备状态。本设计还具有人机交互接口和通讯接口，可实现控制功能的扩展。

2、C8051F02X系列单片机的特点

    Cygnal C8051F02X系列单片机是完全集成的高速高集成度具有独立工作的片上系统的混合信号系统级芯片[5]，特别适用于电池供电的场合及便携式设备中，其特点如下：

1、低功耗：在2.7V电压32KHz条件下工作电流仅为20uA，这时单片机所有外设模块都可使用，关闭flash更可使功耗降低至10uA，正在达到了微安级。25M的高速功耗也仅10mA。

2、硬件资源丰富：在F02X系列单片机内集成了片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器、64KB Flash、4KB RAM、2个串行通信总线、5个16位定时器、可编程计数器阵列（PCA）、8个12位ADC带PGA和模拟多路开关、2个可编程12位DAC、32个I/O口。

3、先进的非侵入式在系统调试技术：所有信号都支持JTAG标准测试接口，方便进行片上在线仿真，固化flash存储器内的程序易于在线升级和调试。

4、专用IDE集成开发环境，提供全系列单片机配置向导，方便用户使用汇编和C语言编程。

         综上所述，C8051F02X系列单片机具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上资源、高效的开发环境。

3 电源管理系统的工作原理与硬件结构设计

    本文所述的电源管理系统采用混合信号设计技术，以单片机为核心的数字电路对电源进行动态管理，以模拟电路实现对电路的控制驱动及电源电压的转换和监测。电源管理系统由单片机、电能状态检测电路、电源输入输出控制电路、键盘与LCD显示模块和远程通讯模块等构成，结构如图1所示。

图1电源管理模块结构图

3.1电能状态检测

    状态检测模块主要采集输入电源电压、电池电压、电池电流等信号。电压信号从电阻分压器获得，无须放大；电流信号来自采样电阻，采样电阻串联在系统地回路，采样信号要求小于0.1V，需要一单端放大电路对信号进行调理。所有信号送到单片机的A/D输入端，A/D转换器的基准电压设定为+2.5V。

3.2电源输入输出控制

    电源输入接口性能对电源管理系统及设备的稳定工作是十分重要的，基于国家半导体公司生产的DC/DC可调电压变换器LM2678的电源接入方式可为设备提供稳定可靠的工作电源。LM2678的优点在于可以接受8-40V宽范围的直流电压输入，减少外界电压波动和不稳定造成对设备的不利影响；可提供最高达60W输出功率时转换效率仍可高达92%^[3]。

    考虑到锂电池的充电饱和电压为8.4V，在电路设计时将LM2678的输入电压设为9V。输入电源再通过一级线性稳压器后直接转换为标准的+3.3V和+5V电源供给设备。以三极管和场效应管组成的可控复合开关为电源管理系统输出非标准电压等级电源留出扩展接口，以实现单片机对电能输出的完全可控。

3.3键盘与LCD显示

    键盘与LCD显示是进行人机交互的重要手段。单片机具有丰富的IO，扩展键盘不需要增加成本，本系统采用低电平中断方式设置了6个按键。系统状态信息显示采用点阵式液晶显示屏，本系统采用240×65点阵MOBI2007模块，可显示图形及各种字符，使用16×16字库可显示4行，每行15个汉字符。电源状态信息以图文结合的方式显示在屏上。

3.4通讯扩展

    单片机的两个串行通讯接口为电源管理系统提供了扩展功能，结合键盘与LCD显示模块，可结合设备的整体设计完成特殊的扩展功能，方便的实现多CPU协同工作体系，也使得硬件资源得到充分的利用。

4 电源管理控制策略

    蓄电池的管理是完全受控于单片机的，电池与输入电源是备用关系。充分参考电池参数与特性定制以下充电控制原则：优化充电过程，缩短充电时间；控制充电电流，无损伤充电；减少充电循环，延长电池寿命。以聚合物锂电池充放电特性曲线（如图2）为依据，将充电过程分为三个阶段，分别是预充电、快速充电和补充充电^[4]，在不同阶段单片机以PWM波对充电电流进行控制，以剩余电量为判断依据实现对电池充电过程自动控制，此过程接受人工干预，用户可对充放电过程进行手动控制。

图2充放电特性曲线

5、电源管理软件设计

    软件采用C语言编写，采用中断采集与主循环计算相互配合的双层结构设计。系统主时钟为24MHz，定时器定时200ms产生中断，在中断处理中采样电源信息。主循环计算当前状态，控制各开关动作，并将系统状态显示在液晶屏上。

本设计的一个特色就是用软件实现电量计量，它是一个动态的过程，其原理是以一次充放电的最大电量差值做作为电池100%的容量^[4]。每次充放电过程中都会记录充电量最大值和放电量最大值，两个量的差作为当前剩余电量百分比的判断依据。主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

6结束语

    本文所介绍的电源管理系统采用了高性能的单片机，其丰富的片内资源使得外围扩展器件少，体积小，方便制板和安装，降低了成本，减少了硬件故障率，使之便于应用在便携式移动测试设备中。本系统以单片机为核心，软件与硬件相结合，用动态的方法对电能的输入输出进行智能化的管理，为设计便携式设备提供了安全可靠的电源解决方案。

参考文献：

[1]王美玲 付梦印 刘武光，便携式设备的电源方案设计 电子技术 2002年 10期

[2]牛黎明 锂电池在线充放电管理电路的设计 电子技术应用 2002年 04期

[3] National Semiconductor DATASHEET：LM2678 SIMPLE SWITCHER® High Efficiency 5A Step-DownVoltage Regulator

[4] 张洪为 便携式产品的“心脏”及其护理 Texas Instruments 2004

[5] Cygnal DATASHEET：C8051F02X