电池管理及监控设计

   1. 前言

　　随着信息技术的飞速发展，移动终端设备如手机、PDA、掌上电脑等产品正越来越多地得到广泛使用。加上目前移动终端设备的处理器性能不断提高、无线应用程序不断增加、图形功能越来越先进。功能上的增加，导致了移动终端产品的功耗越来越大；因此，对电池的提出了更高的性能要求，尤其体现在电池的管理方面，其中包括电池的充电管理和电池的监控，这是嵌入式产品开发中必须考虑的问题。

　　2. 电池管理芯片介绍

　　2.1. 电池充电管理芯片bq24032A

　　电池管理芯片bq24032A支持USB充电和AC充电方式。通过bq24032A对电池进行充电。此芯片提供整个系统的电源输出。其中电池管理芯片bq24032A 的VBAT接于电池监控芯片bq26220的VBAT引脚。PSEL为电源选择端口，可以用于选择由那种输入电源作为主输入电源（USB或AC）。如果主输入电源不可用，系统将自动采用第二种输入电源进行输入，电池输入作为的选择，当USB或AC电源不存在时才选择使用电池作为供电源。PSEL被设置为低时，USB被选择为主输入[1]。下图1为电池管理芯片bq24032A及其外围电路图：

　　
图1 电池管理芯片bq24032A及其外围电路图

　　2.2. 电池监控芯片bq26220

　　bq26220芯片是先进的电池设备监控模块，它可地测量充电和放电电流，并支持所有管理电池容量的必要功能，这个芯片可用于手持电话、PDA、和另外的便携式产品中。bq26220芯片和主控制器一起执行电池的管理功能，主控制器负责将bq26220的数据传送到终端用户电源管理系统中和接收相应的数据。这个模块提供64比特通用闪存，8比特的ID ROM，和32比特的RAM存储空间。这些非易失的存储空间能够保存电池的监控信息或关键的电池参数。

　　其中，BAT为电池电压检测输入端口，这个引脚被用于检测和测量电池的电压值。HDQ为单线HDQ接口，是一个单线串行通信接口，它是双向输入的，负责将寄存器的信息传递给主控制器，并接收主控制器的信息到寄存器中，电池监控芯片bq26220 的HDQ端口接于PXA272处理器的GPIO119端口[2]。下图2为bq26220芯片原理模块图：

　　
图2 bq26220芯片原理模块图

　　3. 电池驱动模型和驱动初始化过程

　　Windows CE中包含的样本设备驱动程序分为两种类型：单片驱动程序（Monolithic device driver）和分层驱动程序（Layered Device driver）。采用分层开发模式可以降低开发难度，缩短开发周期，在电池驱动开发中使用分层驱动开发模式。

　　分层驱动程序由两个独立的层组成：上层是模型设备驱动程序（MDD），下层是依赖平台的驱动程序（PDD）。设备驱动程序服务器提供的接口（DDSI）是在PDD中实现的函数集，并由MDD调用。由于微软提供了所有与MDD模块相关的源代码，所以对这部分不用做任何改动，只需将自己的PDD模块与MDD模块链结成一个公用库即可[3]。MDD通过IoCTLS调用PDD中的特定函数来访问硬件的具体特性。

　　Windows CE电池驱动要求的MDD函数包括：

　　Init、Deinit、Open、Close、Read、Write、Seek、PowerDown、PowerUp、IOControl。

　　Windows CE电池驱动要求的PDD函数包括：

　　BatteryPDDInitialize、BatteryPDDDeinitialize、BatteryPDDGetStatus、BatteryPDDGetLevels、BatteryPDDSupportsChangeNotification、BatteryPDDPowerHandler、 BatteryPDDResume。

　　电池驱动初始化过程

　　在系统上电自检成功后，上层调用电池驱动入口函数，进行电池驱动初始化工作：

　　（1）判断是否已经进行中断事件初始化，如果没有初始化，则进行下面的操作，如果已经进行了初始化，则关闭事件句柄。

　　（2）初始化电池全局变量。

　　（3）如果中断事件成功，则调用ResumeThreadProc创建电池线程。在线程的主调函数中，设置电池线程的优先级，然后在循环中等待中断事件。

　　（4）调用PDD层的初始化函数BatteryPDDInitialize；在PDD层中，为GPIO寄存器和电源管理寄存器开辟两段虚拟内存。

　　（5）初始化AC97的寄存器。

　　（6）初始化存放电池电量值的环形缓冲区。

       （7）调用BatteryAPIGetSystemPowerStatusEx2函数更新电池电量结构体PSYSTEM POWERSTATUS_ EX2中的数据。

　　4. BatteryAPIGetSystemPowerStatusEx函数

　　BatteryAPIGetSystemPowerStatusEx函数主要获取系统电源状态值。在执行过程中是通过调用BatteryAPIGetSystemPowerStatusEx2函数来完成的。而BatteryAPIGetSystemPowerStatusEx2函数调用 BatteryPDDGetStatus函数以获取电池状态信息，BatteryPDDGetStatus函数通过调用GetMainBatteryVoltage获取主电池电压值，通过调用GetPowerDevStatus获取电池设备状态，并获取剩余电量的比例值。下图3为BatteryAPIGetSystemPowerStatusEx函数调用关系图：

　　
图3 BatteryAPIGetSystemPowerStatusEx函数调用关系图

    5. CalcMainBatteryVoltage获取电池电压值

　　bq26220通过BAT端口检测电池电源，并 
且通过寄存器BATH-BATL传递给上层。这个BATH（地址＝0x72——从第0比特到第2比特）和BATL低比特寄存器（地址＝0x71——从第0比特到第7比特）包含电池电压经过ADC转换后的结果。这个电压以11比特、2.44mV为步长、并带有LSB的二进制形式表达出来。BATH寄存器的第3比特代表MSB，BATL的第0比特代表LSB。电压测量范围为5V。

　　BATH寄存器的第3比特到第7比特存储电压ADC后的偏移量信息，这个重要的信息比特是在4比特（第3比特到第7比特）偏移数据后的标记比特。

　　LSB获取修正因子，以μV为单位，主控制器负责通LSB 获取修正因子和偏移量来测量ADC后的电压值。下面是计算公式：

　　正确的＝VBAT×（2.44＋LSB修正因子）－偏移量

　　计算举例如下：

　　例如：如果真实的LSB＝＋2.45mV，偏移量＝＋80mV

　　计算正确的VBAT：

　　LSB修正因子＝＋10μV＝0.001 mV

　　偏移量＝＋10 ×8mV＝80 mV

　　正确的＝VBAT×（2.44＋0.01）－80

　　程序具体实现流程如下图4：

　　
图4 CalcMainBatteryVoltage函数流程图

　　6. 电池电量计算方法

　　原来电池电量百分比显示的其实是电压百分比。可是硬件方面测试发现，电池电量和电池电压并非成简单的线性关系，因此需要分区间进行百分比的转换校正。常温下，我们设备获得的电池电压和电量曲线大致如下（图5）：

　　
图5 电池电压和电量的关系图

　　在驱动程序中创建了一个为16个字长度的环形缓冲区，采样点数增加为16个，这样可以增加对采样结果的可靠性。电池电压采样值even_samp为16个采样值的和去掉一个值和一个值后再取平均值。

　　在我们的移动终端设备中，电池的电压为559（4.10V），电压为455（3.30V），以图5中的两条虚线作为区间的分界线，可分为4.10V~3.80V，3.80V~3.60V，3.60V~3.30V这三个区间，对电池电压值进行分区间的处理，三个区间上的曲线斜率近似为：

　　4.1V～3.80V：Kl=（100－70）／（4.10－3.80）
       3.80V～3.60V：K2=（70－20）／（3.80—3.60）
       3.60V～3.30V：K3=20／（3.60－3.30）
       4.10V～3.30V：K=100／（4.10－3.30）

　　在进行电池电量百分比的转换时，当我们获得在559~455区间内的采样值后，首先获得原来的百分比值voltage_percent= （even_samp－455） * l00/（559－455）。然后针对不同的区间进行相应的调整，得到的电量百分比分别为：

       4.10V～3.80V：voltage_ercent+=（4.10－even_samp * 7.5/1024）×（K－K1）
       3.80V～3.60V：voltage_percent+=（3.80－even_samp * 7.5/1024）×（K－K2）
       3.60V～3.30V：voltage_percent－=（even_samp－3.30V * 7.5/1024）×（K－K3）

　　通过对以上三个区间的分别处理，这样就获得了相对正确的电池电量[4]。

　　7. 小结

　　本文介绍了在Windows CE系统中,基于电池充电管理芯片bq24032A和电池监控芯片bq26220芯片的电池驱动的实现。主要介绍了电池电压的获取和电池电量的计算方法。对电池管理提供了很好的借鉴。

　　参考文献： 
      [1] TI公司关于电池管理芯片bq24032A的资料 

      [2] TI公司关于电池监控芯片bq26220的资料 

      [3] 傅曦.Windows CE 嵌入式开发入门——基于Xscale架构[M] 北京.人民邮电出版社，2006 :227-230.  

      [4] 杨明．军用手持仪器剩余电置的实时预测D]．电子质量．2005．

      [5] bq24032A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/bq24032A_1117383.html.

      [6] bq26220 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/bq26220_561697.html.