可以用api控制的电源开关_一种穿戴式系统电源控制器设计与实现

随着电子信息技术的快速发展，电子信息技术产品体积小、功耗低、效率高、功能强大，为可穿戴系统设备的发展提供了技术可能性。可穿戴系统要求其供电管理设备具有效率高、体积小的特点。本文介绍了基于单片机控制的可穿戴系统电源控制器，具有双电池充电/供电管理功能，电池配置灵活；电源开关软控制，遥控关机；实时监控和指示控制器的工作状态，指示电池电量信息；上传电源工作状态和电池电量信息；充电输入电压范围广，可穿戴系统在野外工作时，太阳能电源或手摇发电机可通过控制器给电池充电，以提高其在野外使用的适应性。

1 工作原理

如图1所示，控制器包括充电电路、双电池管理电路、开关控制、开关及指示、微机单元、DC/DC变换6部分。

1.1 控制器充电

自电源接口输入9 V～28 V控制器可以给电池充电。当控制器连接一个电池时，充电电流只给电池充电。当连接两个电池时，控制器内部的平衡电路自动优先给低电量（电压）的电池充电。低电量电池分配的充电电流较大，两个电池的电量逐渐一致，两个电池的充电电流也趋于均匀；指示灯闪烁，充满指示灯。

只要有直流输入，控制器就可以给电池充电，可以在控制启动状态或控制关闭状态下给电池充电。

1.2 控制器供电

控制器关机时，通常按电源开关约3 s后控制器开机，控制器输出5 V、12 V为系统其他设备供电。

当控制器连接到一个电池时，该电池为系统供电；当连接到两个电池时，高功率（电压）电池优先给系统供电。高功率的电池具有较大的放电电流和平均值。

1.3 功能参数

1.3.1 功能

该控制器为可穿戴系统的信息处理单元、通信电台、摄像头等设备供电；可实现双电池充电管理；内置单片机可上传电源工作状态和电池电量。

(1)工作方式:给电池组充电(控制器关机时也可以充电)；给电气设备供电；同时给电池组和电气设备充电。

(2)数据通信传输:通过RS-232串口与上位机通信。上传电池容量、输出电压/电流等信息。

(3)保护:充满保护、过流、短路保护、输入反接保护、双电池并接工作保护。

(4)控制器开关机:控制器关闭时，按电源开关约3 s(指示灯交替闪烁)，控制器打开，控制器输出各种电源；当控制器工作时，长按电源开关约3 s，关闭控制器；或通过上位机命令控制器下发关机关闭控制器。

（5）说明：用三色发光管完成各种状态指示。电源指示:电源充足指示灯绿色，电源不足指示灯橙色，电源严重不足指示灯红色；充电指示:充电指示灯闪烁；充满绿色指示灯；开关指示:长按电源开关开关时，指示灯交替闪烁；故障机指示:故障时，指示灯闪烁。

1.3.2 技术指标要求

主要技术指标如下：

(1)输入电压:额定12 V电压输入，电压范围为9 V～28 V。

(2)供电输出:直流5 V输出，电流5 A；直流12 V输出，电流1 A。

(3)配套电池:配套电池为聚合物锂电池组，电池规格为7.2 V/10 Ah，有两个电池，可以单独使用，也可以并接使用。

(4)充电电流:4 A。

2 硬件设计

2.1 充电电路

如图2所示，充电管理电路，LTC4006EGN-4是一种转换效率高于90%的高效同步整流充电管理芯片。

LTC4006充电电流由R7电阻设置，恒流充电R7压降恒定在0.1 V，如图2所示，充电电流设置为4 A。由充电输出控制MOS管(P沟道)V4.在充电过程中实现充电输出控制信号VON1为高电平，V4导通；充电后VON信号为低电平，关闭充电输出。充电输出端短路时，可通过肖特基二极管V8微机监控短路信息后，通过软件快速关闭充电输出。

LTC40068脚输出模拟信号，与充电电流线性关系：恒流充电电路（4） A)充电时，8脚电压为1.19 V；充电电流为零时8脚电压为0.309 V；充电电流(0~4 A)8脚电压(0.309 V～1.19 V)对应成线性关系。

将肖特基二极管串联到充电电路输入端，如图2所示V1)可实现输入防反接保护功能，提高设备使用可靠性。

2.2 双电池管理电路

穿戴系统配备两块7.2 V/10 Ah聚合物锂电池满足系统连续10小时的工作时间，两个电池通过电缆连接到控制器。控制器设计了一个双电池管理电路，如图3所示。系统电池配置应用灵活，可以是单电池配置或双电池配置，双电池配置不需要故意规定两个电池电压相同。

当电池电量（电压）差异较大时，控制器应能够自动识别。此时，如果是充电状态，则首先给低电池充电，如果是放电状态，则首先由高电池放电。该电路具有平衡功能，实现无缝切换，隔离功能，确保双电池工作安全，避免高电池放电。

如图3所示，当LTC44126脚电压低于1脚电压时，5脚电平较低，MOS管导通、电路导通工作；反之亦然LTC当4412的6脚电压高于1脚电压时，MOS管道截止，电路反相截止。该功能等同于二极管：具有正相导通、反相截止功能，正相导通压降很小(MOS该电路又称理想二极管电路。

四片用于控制器LTC4412芯片和P沟MOS管道设计的双电池管理电路。N2、N4、V9、V11构成充电平衡电路，充电电压VB优先给低功率（电压）电池充电，低功率电池分配的充电电流较大，两个电池的功率逐渐相同，两个电池的充电电流也趋于平均；N3、N5、V10、V12构成放电平衡电路，高功率电池优先给设备供电，放电电流大，两个电池的功率逐渐一致，放电电流也趋于均分。

两个电池接入控制器充放电一段时间后，具有自动平衡功能；电路具有隔离功能，通过电路将两个电池连接到系统中，避免两个电池之间的相互放电，确保双电池工作的安全；电路的应用使电池具有热插拔功能，系统双工作时拔出任何电池，系统无异常，保持正常工作状态，系统单独工作时加入电池，系统不会出现异常，保持正常工作状态。

2.3 DC/DC变换电路

DC/DC变换电路如图4所示：开关控制的电池电压VD分别发送电源转换模块(B1)及升压电路(N7)得到5 V、12 V电源为系统供电。

B1(SIP10W-12S05A)为一款输出10 A输入6个高效非隔离电源转换模块 V～14 V。输出电压由R13的阻值来设置，考虑到大电流的压降，电路中输出电压设置为5.3 V转换效率高于95%左右。

LT1370是升压转换控制芯片。升压电路的输出电压由R21与R设置22比：V_OUT=V_FB×(1 R21/R22)(V_FB=1.245 V)，该电路的转换效率高于90%。

5 V、12 V设计了过流和短路保护。N6(LT6107)为5 V输出电压信号与输出电流的关系如下：I_5V=I_OUT×R15×(R16/R14)，5 V输出电流为5 A输出电压信号为2 V；N8为12 V电源电流采样放大芯片，12 V输出电流为1 A输出电压信号为2 V。单片机对这两个电流信号进行采样和过流保护。短路保护原理与充电输出短路保护相同。

2.4 开关机控制电路

开关控制电路如图5所示：在控制器关闭时，按下复位开关K1，电池电压VC通过二极管V26、N9单片机供电；另一个通过R32、R33得到的PON信号发送到单片机P1.5端口，P1.5端口监测约3 s在连续高平之后P1.6端口的SON信号反转为高电平，MOS管V22导通，控制器启动，控制器启动后松开开关K1，单片机电源由VD经V24维持供电；控制器保持启动状态。

按下控制器启动状态下的复位开关K一、单片机监控PON信号约3 s连续高电平后，SON反转为低电平，MOS管V22截止日期，控制器关闭；控制器关闭后松开开关K1.单片机电源断开，控制器关闭。

当控制器关闭时，控制器源输入口连接直流电源，如图2所示的充电电路开始工作，其充电电压VB如图5所示V25为单片机供电。单片机开始工作，监测充电电路的电压和电流信息，并通过双色二极管指示充电状态信息。该设计可以满足控制器不启动电池的要求。

2.5 单片机电路

微机控制电路如图6所示：控制部分的核心由C8051F由330单片机组成。单片机集成有Flash、内部数据RAM、10位AD、17个数字I/O引脚等，是一种高效的8位微处理器，极大地简化了硬件电路的设计。单片机实现控制器电源开关的软控制；实时监控充电电路的电压和电流信息；控制充电输出开关；与上位机通信，远程关闭控制器，上传电池电量、控制器工作状态等信息；控制双色发光二极管，指示电池电量和控制器工作状态。

C8051F020端口配置：P0.一是电源输出控制(VON2)口；P0.二是红灯控制口；P0.三是绿灯控制口；P0.4、P0.五是串口通信口；P0.6～P1.四是各电压电流采样输入口；P1.五是开关键信号(PON)口；P1.6为电源开关MOS管控制信号(SON)口；P1.77充电输出控制信号(VON1)口。

3 软件设计

主要采用模块化软件设计序中套用各功能子程序，这样设计软件逻辑严谨、条理清晰。包括有电压采样子程序、电流采样子程序、充电监测子程序、电量监测子程序、串口通信子程序、状态指示子程序。程序流程图如图7所示。

3.1 电压电流采样子程序

单片机内置10位AD，实现对5 V、12 V电源的电压、电流采样；对充电电路的电流采样；对两块电池的电压采样。充电电流信号来自LTC4006的8脚(ICD)，12 V及5 V电源的电流信号来自电流采样放大芯片LT6107。单片机对电源输出电流信号进行采样，并进行过流保护，5 V输出的过流保护门限设置为6 A，12 V输出的过流保护门限设置为1.2 A。当输出过流时，切断电源输出(控制信号VON2置低)，并红灯闪烁告警。

3.2 充电子程序

充电子程序中根据对电池电压及充电电流来综合判断充电状态。当充电电流值大于0.4 A时，判断为充电状态，指示灯为绿灯闪烁；当电池电压达到恒压充电电压值8.4 V，且充电电流小于0.4 A时判断为电池充满，充电结束，关断充电输出(VON1信号置为低电平)，对应的指示灯为绿灯。

3.3 电量监测充电子程序

分别监测两块电池的电压来估算电池的容量；控制器是分别计算两块电池的电量信息并在终端上显示。控制器的指示灯也可指示电池电量信息：控制器连接两块电池时按两块电池的平均电量来处理，连接一块电池时按当前电池的电量来处理，控制机器再根据容量百分比来进行电量信息指示。

3.4 状态指示子程序

单片机控制一个双色发光二极管(红绿、共阳)来指示对应的充电、电量故障等状态信息：

(1)充电指示：在充电状态下，电池充电指示灯为绿灯闪烁；充满结束指示灯为绿灯。

(2)电量指示：电量充足(大于50%容量)指示灯为绿灯；电量不足(20%～50%容量)指示灯为橙灯；电量严重不足(小于20%容量)指示灯为红灯。

(3)故障指示：当充电输出端口短路或者电池电压充不上去时，判充电输出故障；开机后12 V、5 V电源的电压超出其标称范围，或输出短路、过流时判断为电源输出故障。出现故障时，指示灯为红灯闪烁告警。

(4)开/关机指示：在控制器关机充电状态下，按下电源开关，指示灯为红绿交替闪烁，长按电源开关约3 s后控制器开机，指示灯按充电状态指示(充电绿灯闪烁、充满绿灯)，停止开关按键动作，完成充电状态下开机动作；在控制器开机充电状态下，按下电源开关机按键，指示灯为红绿交替闪烁，长按电源开关约3 s后控制器关机，指示灯熄灭，停止开关按键动作，指示灯继续按充电状态指示，完成充电状态下关机动作。

在控制器关机不充电状态下，按下电源开关按键，指示灯为红绿交替闪烁，长按电源开关约3 s后控制器开机，指示灯按电量状态信息指示(电量充足绿灯、电量不足橙灯、电量严重不足红灯)，停止开关按键动作，完成开机动作；在控制器开机不充电状态下，按下电源开关按键机，指示灯为红绿交替闪烁，长按电源开关约3 s后控制器关机，指示灯熄灭，停止开关按键动作，完成充电状态下关机动作。

指示灯的指示优点级别是：故障指示级别最高，其次是开/关机指示，然后是充电指示，最后是电量指示。

3.5 电源开关机控制

单片机监测到PON信号为高电平后，启动定时器2的计数器，当该定时计数器的计数大于3 s后，单片机的SON信号电平状态反转，实现电源开关软控制。

单片机监测到PON信号为低电平后，定时器2的计数器清零。确保电源开关只有连续按3 s才能实现控制器的开关机，避免该开关的误动作。

在控制器开机状态下，单片机接收上位机的遥控关机命令， SON信号电平置低，控制器关机；单片机电源被断开，控制器维持关机状态。

3.6 串口通信

控制器与上位机通过RS-232串口通信，实现数据传输。上传电池容量、各路输出电压/电流等信息。

(1)通信方式：以RS-232的方式进行通信；波特率：9 600 b/s；数据位：8位；奇偶效验：无；停止位：1位。

(2)指令格式：起始符(02)+指令符+[参数1]+…++…+结束符(03)+累加和效验；：内的参数为十六进制；[参数1]：内的参数必须有；；< >内的参数可以没有。

(3)通信命令：电池A容量查询命令、电池B查询命令、5 V输出电压/电流查询命令、12 V输出电压/电流查询命令、遥控关机命令。

4 控制器的测试验证

根据上述设计思想制作出的穿戴式系统电源控制器，可以实现为系统供电；可以在控制器关机状态为电池充电；充电指示为：充电绿灯闪烁、充满红灯；控制器指示灯能指示电池电量信息：电量充足绿灯、电量不足橙灯、严重不足红灯；按下按键开关机时指示灯红绿交替闪烁提醒，长按3 s左右控制器能够开关机；充电输出短路或电源输出短路、过流时能够保护关断相应的输出，并红灯闪烁指示该故障。其他指标测试如表1所示。

控制器各电路都采用高效电路实现，做到小而轻，如图8所示，其外形尺寸为90 mm×45 mm×30 mm。

5 结论

本文对控制器的工作原理进行了详细的介绍，结合硬件电路和软件设计重点介绍该设备如何实现其双电池管理及控制器工作状态的监控：系统既可以配备一块电池工作，也可以配备两块电池工作得到更长的待机工作时间；配备两块电池工作时，可以随时拔下或接入一块电池，系统不会断电；监控控制器的充电及电量信息并通过一个双色发光二极管来指示；通过串口上传电池电量及各电压电流等信息。

该穿戴式系统电源控制器具有效率高、体积小、操作简单、功能全(有电池充电功能)、双电池配置灵活、金属外壳电磁兼容性好等特点。

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作者信息:

宋金华，吴 林，谢启少，陆志荣

(同方电子科技有限公司，江西 九江332002)