1 事情事理
如图1所示，掌握器包括充电电路、双电池管理电路、开关掌握、开关及指示、微机单元、DC/DC变换6部分。
1.1 掌握器充电
自电源接口输入9 V～28 V的直流电源，掌握器就可以对电池进行充电。掌握器连接一块电池时，充电电流只给该电池充电，当连接两块电池时，掌握器内部的均衡电路自动优先给电量(电压)低的电池充电，电量低的电池分配的充电电流大，两块电池的电量逐渐趋于同等，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烁，充满指示灯亮绿灯。
掌握器只要有直流输入就可对电池充电，既可以在掌握开机状态下充电也可以在掌握关机状态下对电池充电。
1.2 掌握器供电
在掌握器关机状态下，常按电源开关约3 s后掌握器开机，掌握器输出5 V、12 V电源为系统其他设备供电。
掌握器连接一块电池时，该电池为系统供电；当连接两块电池时，电量(电压)高的电池优先给系统供电。电量高的电池放电电流大，并趋于均分。
1.3 功能参数
1.3.1 功能
该掌握器为穿着式系统的信息处理单元、通信电台及摄像头等设备供电；可实现双电池的充电供电管理；内置单片机实现与上位机通信上传电源事情状态及电池电量等信息。
(1)事情办法：对电池组充电(在掌握器关机状态下也能进行充电)；对用电设备供电；同时对电池组充电和对用电设备供电。
(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、各路输出电压/电流等信息。
(3)保护：充满保护、过流、短路保护、输入反接保护、双电池并接事情保护。
(4)掌握器开关机：在掌握器关闭的情形下，常按电源开关约3 s(指示灯红绿交替闪烁)，掌握器开启，掌握器输出各路电源；在掌握器事情的情形下，长按电源开关约3 s，掌握器关闭；或通过上位机给掌握器下发关机命令关闭掌握器。
(5)指示：用一个三色发光管完成各状态指示。电量指示：电量充足指示灯绿色，电量不敷指示灯橙色，电量严重不敷指示灯赤色；充电指示：充电指示灯绿灯闪烁；充满指示灯绿色；开关机指示：长按电源开关开关机时，指示灯红绿交替闪烁；故障机指示：故障时指示灯红灯闪烁。
1.3.2 技能指标哀求
紧张技能指标哀求如下：
(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：配套的蓄电池为聚合物锂电池组，电池规格为7.2 V/10 Ah，电池有两个，可以单独利用，也可以并策应用。
(4)充电电流：4 A。
2 硬件设计
2.1 充电电路
充电管理电路如图2所示，LTC4006EGN-4是一款高效同步整流充电管理芯片，其转换效率高于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。充电输出掌握由MOS管(P沟道)V4来实现，充电过程中充电输出掌握旗子暗记VON1为高电平，V4导通；充电结束后VON1旗子暗记为低电平，关断充电输出。当充电输出端短路时，可以通过肖特基二极管V8的箝位快速关断充电输出，同时微机监测到该短路信息后，通过软件关断充电输出。
LTC4006的8脚输出一个仿照旗子暗记，该旗子暗记电压与充电电流成线性关系：充电电路事情在恒流(4 A)充电状态时，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)，可以实现输入防反接保护功能，提高设备利用可靠性。
2.2 双电池管理电路
该穿着系统中配备了两块7.2 V/10 Ah聚合物锂电池，知足系统连续10小时的事情韶光，两块电池分别通过线缆与掌握器相连。掌握器设计了双电池管理电路，如图3所示。系统电池配置运用灵巧，既可以单电池配置事情，也可以双电池配置事情，双电池配置时不用刻意规定两块电池电压相同。
电池电量（电压）差异较大时，掌握器应能自动识别。此时若为充电状态，则先对低电量电池充电，若为放电状态，则先由高电量电池放电。该电路具有均衡功能，做到无缝切换，该电路的隔离功能，确保双电池事情安全，避免高电量电池对低电量电池放电征象。
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，电路导通事情；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。该功能等效于一个二极管：具有“正”相导通、“反”相截止功能，“正”相导通压降很小(MOS管上的导通压降)，该电路也叫“空想二极管”电路。
掌握器中用四片LTC4412芯片及P沟道MOS管设计的双电池管理电路。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，两块电池的电量逐渐趋于同等，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，两块电池的电量逐渐趋于同等，放电电流也趋于均分。
两块电量有差异的电池接入掌握器充电或放电一段韶光后其电量会趋于同等，具有自动均衡功能；同时该电路有隔离浸染，通过该电路使两块电池并接在系统中事情而相互隔离，避免两块电池之间的相互放电，确保双电池事情的安全性；该电路的运用使得电池具有热插拔功能，系统双事情时拔下任一块电池，系统不会涌现非常，保持正常事情状态，系统单事情时再加入一块电池，系统不会涌现非常，保持正常事情状态。
2.3 DC/DC变换电路
DC/DC变换电路如图4所示：掌握器开机事情时，经开关掌握的电池电压VD分别送电源转换模块(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的高效非隔离电源转换模块，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旁边，其转换效率高于95%。
LT1370为一款升压转换掌握芯片。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)，该电路的转换效率高于90%。
5 V、12 V电源输出设计了过流、短路保护。N6(LT6107)为5 V电源电流采样放大芯片，其输出电压旗子暗记与输出电流的关系为：I5V=IOUT×R15×(R16/R14)，5 V输出电流为5 A时，其输出电压旗子暗记为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时，其输出电压旗子暗记为2 V。单片机分别对这两个电流旗子暗记进行采样来并进行过流保护。短路保护事情事理同充电输出短路保护。
2.4 开关机掌握电路
开关掌握电路如图5所示：在掌握器关机状态下，按下复位开关K1，电池电压VC通过二极管V26、N9为单片机供电；另一通过R32、R33得到的PON旗子暗记送至单片机的P1.5端口，P1.5端口监测到约3 s的连续高平后，其P1.6端口的SON旗子暗记反转为高电平，MOS管V22导通，掌握器开机；掌握器开机后松开开关K1，单片机电源由VD经V24坚持供电；掌握器坚持开机状态。
在掌握器开机状态下，按下复位开关K1，单片机监测PON旗子暗记约3 s的连续高电平后，SON反转为低电平，MOS管V22截止，掌握器关机；掌握器关机后松开开关K1，单片机电源断开，掌握器坚持关机状态。
在掌握器关机状态下，掌握器电源输入口接直流电源，如图2所示的充电电路开始事情，其充电电压VB通过如图5中的V25给单片机供电。单片机开始事情，监测充电电路电压、电流信息，并通过双色二极管来指示充电状态信息。该设计可以知足掌握器在不开机的情形下对电池充电。
2.5 单片机电路
微机掌握电路如图6所示：掌握部分的核心由C8051F330单片机组成。该单片机集成有Flash、内部数据RAM、10位AD、17个数字I/O引脚等，是一款高效的8位微处理器，极大地简化了硬件电路设计。该单片机实现掌握器电源开关软掌握；实时监测充电电路的电压、电流信息；对充电输出开关进行掌握；与上位机通信，实现掌握器的遥控关机，并上传电池电量、掌握器事情状态等信息；掌握一个双色发光二极管来指示电池电量及掌握器事情状态等信息。
C8051F020的端口配置：P0.1为电源输出掌握(VON2)口；P0.2为红灯掌握口；P0.3为绿灯掌握口；P0.4、P0.5为串口通信口；P0.6～P1.4为各电压电流采样输入口；P1.5为开关按键旗子暗记(PON)口；P1.6为电源开关MOS管掌握旗子暗记(SON)口；P1.7为充电输出掌握旗子暗记(VON1)口。
3 软件设计
采取模块化软件设计，在主程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。充电电流旗子暗记来自LTC4006的8脚(ICD)，12 V及5 V电源的电流旗子暗记来自电流采样放大芯片LT6107。单片机对电源输出电流旗子暗记进行采样，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，割断电源输出(掌握旗子暗记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旗子暗记置为低电平)，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；掌握器是分别打算两块电池的电量信息并在终端上显示。掌握器的指示灯也可指示电池电量信息：掌握器连接两块电池时按两块电池的均匀电量来处理，连接一块电池时按当前电池的电量来处理，掌握机器再根据容量百分最近进行电量信息指示。
3.4 状态指示子程序
单片机掌握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；电量不敷(20%～50%容量)指示灯为橙灯；电量严重不敷(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。涌现故障时，指示灯为红灯闪烁告警。
(4)开/关机指示：在掌握器关机充电状态下，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后掌握器开机，指示灯按充电状态指示(充电绿灯闪烁、充满绿灯)，停滞开关按键动作，完成充电状态下开机动作；在掌握器开机充电状态下，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后掌握器关机，指示灯熄灭，停滞开关按键动作，指示灯连续按充电状态指示，完成充电状态下关机动作。
在掌握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后掌握器开机，指示灯按电量状态信息指示(电量充足绿灯、电量不敷橙灯、电量严重不敷红灯)，停滞开关按键动作，完成开机动作；在掌握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后掌握器关机，指示灯熄灭，停滞开关按键动作，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，末了是电量指示。
3.5 电源开关机掌握
单片机监测到PON旗子暗记为高电平后，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旗子暗记电平状态反转，实现电源开关软掌握。
单片机监测到PON旗子暗记为低电平后，定时器2的计数器清零。确保电源开关只有连续按3 s才能实现掌握器的开关机，避免该开关的误动作。
在掌握器开机状态下，单片机吸收上位机的遥控关机命令， SON旗子暗记电平置低，掌握器关机；单片机电源被断开，掌握器坚持关机状态。
3.6 串口通信
掌握器与上位机通过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)通信办法：以RS-232的办法进行通信；波特率：9 600 b/s；数据位：8位；奇偶效验：无；停滞位：1位。
(2)指令格式：起始符(02)+指令符+[参数1]+…+<参数n>+…+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；<参数n>；< >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 掌握器的测试验证
根据上述设计思想制作出的穿着式系统电源掌握器，可以实现为系统供电；可以在掌握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；掌握器指示灯能指示电池电量信息：电量充足绿灯、电量不敷橙灯、严重不敷红灯；按下按键开关机时指示灯红绿交替闪烁提醒，长按3 s旁边掌握器能够开关机；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。
掌握器各电路都采取高效电路实现，做到小而轻，如图8所示，其形状尺寸为90 mm×45 mm×30 mm。
5 结论
本文对掌握器的事情事理进行了详细的先容，结合硬件电路和软件设计重点先容该设备如何实现其双电池管理及掌握器事情状态的监控：系统既可以配备一块电池事情，也可以配备两块电池事情得到更长的待机事情韶光；配备两块电池事情时，可以随时拔下或接入一块电池，系统不会断电；监控掌握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。
该穿着式系统电源掌握用具有效率高、体积小、操作大略、功能全(有电池充电功能)、双电池配置灵巧、金属外壳电磁兼容性好等特点。
参考文献
[1] 张莉，张松.电动汽车充电站的充放电掌握策略研究[J].电子技能运用，2018，44(11)：150-153.
[2] 汤健强，周凤星，沈春鹏.基于μC/OS-Ⅱ的蓄电池状态监测与智能掌握系统[J].电子技能运用，2017，43(7)：148-152.
[3] 高小鹏，庞宇，黎圣峰，等.耳夹式可穿着体征参数感测装置的设计[J].电子技能运用，2016，42(12)：41-44.
[4] 侯赵磊，何秋生，段勇勇，等,基于AVR单片机的智能充电器软件系统设计[J].电源技能，2016(9)：1863-1864.
[5] 吴林，杨国为，刘斌.光伏微型逆变器赞助电源的变压器设计[J].电子设计工程，2015(17)：115-117.
[6] 邓化科，江志农.便携设备多电池系统充放电方法研究[J].仪器仪表用户，2007(6)：105-106.
[7] 宋金华.单片机在GPS同步旗子暗记延时偏差丈量中的运用[J].电子技能，1999(5)：27-29.
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)
