0 导言
跟着电子及信息技能的日新月异开展，电子及信息技能产品体积更小、功耗更低、功率更高、功用更强壮，这就为穿戴式体系设备的开展供给了技能或许。穿戴式体系要求其供电办理设备具有功率高、体积小等特色。本文介绍一款依据单片机操控的穿戴式体系电源操控器，具有双电池的充电/供电办理功用，电池装备灵敏；电源开关软操控，并可遥控关机；实时监控并指示操控器各作业状况，可指示电池电量信息；与上位机通讯上传电源作业状况及电池电量等信息；充电输入电压规模宽，穿戴式体系在户外作业时，能够用太阳能电源或手摇发电机经过操控器给电池充电，进步其户外运用适应性。
1 作业原理
1.1 操控器充电
自电源接口输入9 V～28 V的直流电源，操控器就能够对电池进行充电。操控器衔接一块电池时，充电电流只给该电池充电，当衔接两块电池时，操控器内部的均衡电路主动优先给电量（电压）低的电池充电，电量低的电池分配的充电电流大，两块电池的电量逐步趋于共同，两块电池得到的充电电流也趋于均分；充电过程中指示灯绿灯闪耀，充溢指示灯亮绿灯。
操控器只需有直流输入就可对电池充电，既能够在操控开机状况下充电也能够在操控关机状况下对电池充电。
1.2 操控器供电
在操控器关机状况下，常按电源开关约3 s后操控器开机，操控器输出5 V、12 V电源为体系其他设备供电。
操控器衔接一块电池时，该电池为体系供电；当衔接两块电池时，电量（电压）高的电池优先给体系供电。电量高的电池放电电流大，并趋于均分。
1.3 功用参数
1.3.1 功用
该操控器为穿戴式体系的信息处理单元、通讯电台及摄像头号设备供电；可完结双电池的充电供电办理；内置单片机完结与上位机通讯上传电源作业状况及电池电量等信息。
（1）作业办法：对电池组充电（在操控器关机状况下也能进行充电）；对用电设备供电；一起对电池组充电和对用电设备供电。
（2）数据通讯传输：经过RS-232串口与上位机通讯。上传电池容量、各路输出电压/电流等信息。
（3）维护：充溢维护、过流、短路维护、输入反接维护、双电池并接作业维护。
（4）操控器开关机：在操控器封闭的情况下，常按电源开关约3 s（指示灯红绿替换闪耀），操控器敞开，操控器输出各路电源；在操控器作业的情况下，长按电源开关约3 s，操控器封闭；或经过上位机给操控器下发关机指令封闭操控器。
（5）指示：用一个三色发光管完结各状况指示。电量指示：电量足够指示灯绿色，电量缺乏指示灯橙色，电量严重缺乏指示灯赤色；充电指示：充电指示灯绿灯闪耀；充溢指示灯绿色；开关机指示：长按电源开关开关机时，指示灯红绿替换闪耀；毛病机指示：毛病时指示灯红灯闪耀。
1.3.2 技能目标要求
首要技能目标要求如下：
（1）输入电压：额外12 V电压输入；电压规模为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：配套的蓄电池为聚合物锂电池组，电池标准为7.2 V/10 Ah，电池有两个，能够独自运用，也能够并接运用。
（4）充电电流：4 A。
2 硬件规划
2.1 充电电路
充电办理电路如图2所示，LTC4006EGN-4是一款高效同步整流充电办理芯片，其转化功率高于90%。
LTC4006的充电电流由R7阻值设置，恒流充电时R7的压降恒定在0.1 V，如图2中充电电流设置为4 A。充电输出操控由MOS管（P沟道）V4来完结，充电过程中充电输出操控信号VON1为高电平，V4导通；充电完毕后VON1信号为低电平，关断充电输出。当充电输出端短路时，能够经过肖特基二极管V8的箝位快速关断充电输出，一起微机监测到该短路信息后，经过软件关断充电输出。
LTC4006的8脚输出一个模拟信号，该信号电压与充电电流成线性关系：充电电路作业在恒流（4 A）充电状况时，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）与8脚的电压（0.309 V～1.19 V）对应成线性关系。
在充电电路输入端串接一个肖特基二极管（如图2中V1），能够完结输入防反接维护功用，进步设备运用可靠性。
2.2 双电池办理电路
该穿戴体系中装备了两块7.2 V/10 Ah聚合物锂电池，满意体系接连10小时的作业时间，两块电池别离经过线缆与操控器相连。操控器规划了双电池办理电路，如图3所示。体系电池装备使用灵敏，既能够单电池装备作业，也能够双电池装备作业，双电池装备时不必故意规则两块电池电压相同。
电池电量（电压）差异较大时，操控器应能主动识别。此刻若为充电状况，则先对低电量电池充电，若为放电状况，则先由高电量电池放电。该电路具有均衡功用，做到无缝切换，该电路的阻隔功用，保证双电池作业安全，防止高电量电池对低电量电池放电现象。
如图3所示，当LTC4412的6脚电压比起1脚电压低时，其5脚为低电平，MOS管导通，电路导通作业；反之当LTC4412的6脚电压比1脚电压高时，MOS管截止，电路反相截止。该功用等效于一个二极管：具有“正”相导通、“反”相截止功用，“正”相导通压降很小（MOS管上的导通压降），该电路也叫“抱负二极管”电路。
操控器顶用四片LTC4412芯片及P沟道MOS管规划的双电池办理电路。N2、N4、V9、V11构成充电均衡电路，充电电压VB优先给电量（电压）低的电池充电，电量低的电池分配的充电电流大，两块电池的电量逐步趋于共同，两块电池得到的充电电流也趋于均分；N3、N5、V10、V12构成放电均衡电路，电量高的电池优先给设备供电，其放电电流大，两块电池的电量逐步趋于共同，放电电流也趋于均分。
两块电量有差异的电池接入操控器充电或放电一段时间后其电量会趋于共同，具有主动均衡功用；一起该电路有阻隔效果，经过该电路使两块电池并接在体系中作业而彼此阻隔，防止两块电池之间的彼此放电，保证双电池作业的安全性；该电路的使用使得电池具有热插拔功用，体系双作业时拔下任一块电池，体系不会呈现异常，坚持正常作业状况，体系单作业时再参加一块电池，体系不会呈现异常，坚持正常作业状况。
2.3 DC/DC改换电路
DC/DC改换电路如图4所示：操控器开机作业时，经开关操控的电池电压VD别离送电源转化模块（B1）及升压电路（N7）得到5 V、12 V电源为体系供电。
B1（SIP10W-12S05A）为一款输出10 A的高效非阻隔电源转化模块，其输入为6 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左右，其转化功率高于95%。
LT1370为一款升压转化操控芯片。升压电路的输出电压由R21与R22比值来设定：VOUT=VFB×（1+R21/R22）（VFB=1.245 V），该电路的转化功率高于90%。
5 V、12 V电源输出规划了过流、短路维护。N6（LT6107）为5 V电源电流采样扩大芯片，其输出电压信号与输出电流的关系为：I5V=IOUT×R15×（R16/R14），5 V输出电流为5 A时，其输出电压信号为2 V；N8为12 V电源电流采样扩大芯片，12 V输出电流为1 A时，其输出电压信号为2 V。单片机别离对这两个电流信号进行采样来并进行过流维护。短路维护作业原理同充电输出短路维护。
2.4 开关机操控电路
开关操控电路如图5所示：在操控器关机状况下，按下复位开关K1，电池电压VC经过二极管V26、N9为单片机供电；另一经过R32、R33得到的PON信号送至单片机的P1.5端口，P1.5端口监测到约3 s的接连高平后，其P1.6端口的SON信号回转为高电平，MOS管V22导通，操控器开机；操控器开机后松开开关K1，单片机电源由VD经V24保持供电；操控器保持开机状况。
在操控器开机状况下，按下复位开关K1，单片机监测PON信号约3 s的接连高电平后，SON回转为低电平，MOS管V22截止，操控器关机；操控器关机后松开开关K1，单片机电源断开，操控器保持关机状况。
在操控器关机状况下，操控器电源输进口接直流电源，如图2所示的充电电路开端作业，其充电电压VB经过如图5中的V25给单片机供电。单片机开端作业，监测充电电路电压、电流信息，并经过双色二极管来指示充电状况信息。该规划能够满意操控器在不开机的情况下对电池充电。
2.5 单片机电路
C8051F020的端口装备：P0.1为电源输出操控（VON2）口；P0.2为红灯操控口；P0.3为绿灯操控口；P0.4、P0.5为串口通讯口；P0.6～P1.4为各电压电流采样输进口；P1.5为开关按键信号（PON）口；P1.6为电源开关MOS管操控信号（SON）口；P1.7为充电输出操控信号（VON1）口。
3 软件规划
选用模块化软件规划，在主程序中套用各功用子程序，这样规划软件逻辑谨慎、条理清晰。包含有电压采样子程序、电流采样子程序、充电监测子程序、电量监测子程序、串口通讯子程序、状况指示子程序。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，完结对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扩大芯片LT6107。单片机对电源输出电流信号进行采样，并进行过流维护，5 V输出的过流维护门限设置为6 A，12 V输出的过流维护门限设置为1.2 A。当输出过流时，堵截电源输出（操控信号VON2置低），并红灯闪耀告警。
3.2 充电子程序
充电子程序中依据对电池电压及充电电流来归纳判别充电状况。当充电电流值大于0.4 A时，判别为充电状况，指示灯为绿灯闪耀；当电池电压到达恒压充电电压值8.4 V，且充电电流小于0.4 A时判别为电池充溢，充电完毕，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
别离监测两块电池的电压来预算电池的容量；操控器是别离核算两块电池的电量信息并在终端上显现。操控器的指示灯也可指示电池电量信息：操控器衔接两块电池时按两块电池的均匀电量来处理，衔接一块电池时按当时电池的电量来处理，操控机器再依据容量百分比来进行电量信息指示。
3.4 状况指示子程序
单片机操控一个双色发光二极管（红绿、共阳）来指示对应的充电、电量毛病等状况信息：
（1）充电指示：在充电状况下，电池充电指示灯为绿灯闪耀；充溢完毕指示灯为绿灯。
（2）电量指示：电量足够（大于50%容量）指示灯为绿灯；电量缺乏（20%～50%容量）指示灯为橙灯；电量严重缺乏（小于20%容量）指示灯为红灯。
（3）毛病指示：当充电输出端口短路或许电池电压充不上去时，判充电输出毛病；开机后12 V、5 V电源的电压超出其标称规模，或输出短路、过流时判别为电源输出毛病。呈现毛病时，指示灯为红灯闪耀告警。
（4）开/关机指示：在操控器关机充电状况下，按下电源开关，指示灯为红绿替换闪耀，长按电源开关约3 s后操控器开机，指示灯按充电状况指示（充电绿灯闪耀、充溢绿灯），中止开关按键动作，完结充电状况下开机动作；在操控器开机充电状况下，按下电源开关机按键，指示灯为红绿替换闪耀，长按电源开关约3 s后操控器关机，指示灯平息，中止开关按键动作，指示灯持续按充电状况指示，完结充电状况下关机动作。
在操控器关机不充电状况下，按下电源开关按键，指示灯为红绿替换闪耀，长按电源开关约3 s后操控器开机，指示灯按电量状况信息指示（电量足够绿灯、电量缺乏橙灯、电量严重缺乏红灯），中止开关按键动作，完结开机动作；在操控器开机不充电状况下，按下电源开关按键机，指示灯为红绿替换闪耀，长按电源开关约3 s后操控器关机，指示灯平息，中止开关按键动作，完结充电状况下关机动作。
指示灯的指示长处等级是：毛病指示等级最高，其次是开/关机指示，然后是充电指示，最终是电量指示。
3.5 电源开关机操控
单片机监测到PON信号为高电平后，发动守时器2的计数器，当该守时计数器的计数大于3 s后，单片机的SON信号电平状况回转，完结电源开关软操控。
单片机监测到PON信号为低电平后，守时器2的计数器清零。保证电源开关只要接连按3 s才干完结操控器的开关机，防止该开关的误动作。
在操控器开机状况下，单片机接纳上位机的遥控关机指令， SON信号电平置低，操控器关机；单片机电源被断开，操控器保持关机状况。
3.6 串口通讯
操控器与上位机经过RS-232串口通讯，完结数据传输。上传电池容量、各路输出电压/电流等信息。
（1）通讯办法：以RS-232的办法进行通讯；波特率：9 600 b/s；数据位：8位；奇偶效验：无；中止位：1位。
（2）指令格局：开始符（02）+指令符+［参数1］+…+《参数n》+…+完毕符（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；《参数n》；《 》内的参数能够没有。
（3）通讯指令：电池A容量查询指令、电池B查询指令、5 V输出电压/电流查询指令、12 V输出电压/电流查询指令、遥控关机指令。
4 操控器的测验验证
依据上述规划思维制作出的穿戴式体系电源操控器，能够完结为体系供电；能够在操控器关机状况为电池充电；充电指示为：充电绿灯闪耀、充溢红灯；操控器指示灯能指示电池电量信息：电量足够绿灯、电量缺乏橙灯、严重缺乏红灯；按下按键开关机时指示灯红绿替换闪耀提示，长按3 s左右操控器能够开关机；充电输出短路或电源输出短路、过流时能够维护关断相应的输出，并红灯闪耀指示该毛病。其他目标测验如表1所示。
操控器各电路都选用高效电路完结，做到小而轻，如图8所示，其外形尺寸为90 mm×45 mm×30 mm。
5 定论
本文对操控器的作业原理进行了具体的介绍，结合硬件电路和软件规划要点介绍该设备怎么完结其双电池办理及操控器作业状况的监控：体系既能够装备一块电池作业，也能够装备两块电池作业得到更长的待机作业时间；装备两块电池作业时，能够随时拔下或接入一块电池，体系不会断电；监控操控器的充电及电量信息并经过一个双色发光二极管来指示；经过串口上传电池电量及各电压电流等信息。
该穿戴式体系电源操控器具有功率高、体积小、操作简略、功用全（有电池充电功用）、双电池装备灵敏、金属外壳电磁兼容性好等特色。
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