基于BQ27210的便携设备电池监测系统设计

1 引言
    随着功能集成和技术融合趋势的继续，数码摄像机、智能电话和媒体播放器等便携式设备对电源的要求越来越高。这些便携设备通常采用电池供电，然而，电池的工作时间是有限的，为了保证使用的连续性和完整性，操作人员需要及时的掌握当前电池的剩余容量和可用时间，以防止因电池能量耗尽而出现意外关机，造成不必要的数据损失。
    BQ27210是TI公司推出的一款电池监测器件，主要用于数码摄像机、智能手机、PDA和MP3等便携设备中，对由独立单体锂离子和锂聚合物电池构成的电源系统进行高精度的监测与报告。该器件通过监测与电池串联的小型电流感应电阻器的电压下降情况，以确定电池的充电和放电，同时对电池的可使用时间、容量、温度、自放电和放电速率等进行相应补偿，以便在各种工作条件下提供可使用时间等信息。在从满到空的放电周期内，自动重新校准或获取电池容量。器件内部寄存器记录了电池容量、电流、电压、可使用时间、充电状态和温度等信息。外部处理器可通过I2C串行总线与BQ272lO进行通信，读取芯片内部寄存器中记录的电池容量、温度、可使用时间等实时信息。
2 主要特性其引脚功能
    BQ27210的主要特性为：I2C串行接口通信；能够准确报告电池的可使用时间、放电速率、温度、电压、电流等信息；高精度集成充电与放电电流，具有自动失调校准，无需用户校准；可编程输入／输出端口；内部用户EEPROM配置内存；无需外部组件即可提供稳定的振荡器；动态放电结束后检测延迟，允许在高动态负载环境中使用；当通信线路较低时自动进入睡眠模式；工作温度为一20～C～70～C。
    BQ27210采用小型QFN封装，引脚功能如下：BAT为电池电压传感输入端；GPIO为通用输入／输出端，可通过程序设置；PGM为EEPROM编程电压输入端；RBI为备用寄存器输入端；SCL为串行时钟接口，用来与单片机进行数据通信；SDA为串行数据接口，用来与单片机进行数据通信；SRN为电池充电、放电电流检测输入端（负极）；SRP为电池充电、放电电流检测输入端（正极）；VCC为电源输入端；VSS为接地端。

3 工作原理
    BQ27210的内部结构框图如图l所示。该器件可将计算得到的与电池充放电相关的数据存放在内部RAM中，这些数据可通过RBI上的电压予以保持，而EPPROM则用以保存永久性的用户数据信息。由于BQ27210内部集成有A／D转换器和温度传感器，因此要获得电池的电压、温度等参数，只需通过外部处理器对器件发出采集电压和温度控制命令即可，当芯片采样完毕后会自动将电压、温度测量值存入相对应的RAM寄存器中，再由外部处理器读取寄存器的内容。

    该芯片的最大的特点是在电池使用过程中能够实时监测电池的电量，并根据最新监测的电池电量值来更新RAM中寄存器LMD（电池最新放电电量）的参数，同时BQ27210还能保留更新后的参数，并将其存放在寄存器LMD中直到寄存器复位。在整个电池充电到放电终止过程中，BQ27210就是通过这种不断地监测并更新来获取电池电量相关的实时参数。BQ27210的工作流程如图2所示。
4 典型应用
4．1 接口电路
    由于BQ27210常用于便携式设备中，因此采用一款体积小、功耗低的单片机C805lF304实现硬件连接。C805lF304是一款完全集成的混合信号系统级MCU，仅有11个引脚，具有高达25MI／s速率和流水线结构的805l微控制器内核；全速、非侵入式的在线系统调试接口；同时该器件内部集成SMBusI／O接口，SMBus完全符合系统管理总线规范1．1版本，与I2C串行总线完全兼容。C8051F304最独特之处是引入了数字交叉开关，允许将内部数字系统资源映射到端口I／O引脚。这样，通过设置数字交叉开关控制寄存器中的值，即可将片内串行总线配置在端口I／O引脚，由单片机的SMBus串行接口自动控制与BQ27210的数据传输。BQ27210与C8051F304的接口电路如图3所示。
    图3中，BQ27210通过监测与电池串联的小型电流感应电阻器Rs上的压降情况来确定电池的充放电。当监测到的通信线路低，电源被切断或需更换电池时，系统会自动进入睡眠模式。同时该器件的电压传感引脚BAT与电流传感引脚SRN和SRP分别通过电阻电容与电池相连，用以实现电压和充放电电流的测量。RBI通过与外部电容C8相连接向内部寄存器提供备份电压，即当VCC高于门限电压时对电容充电；当VCC低于门限电压时，电容将提供一段时间维持数据电压，此时芯片内部寄存器会记录当前数据信息，只要RBI的电压高于1．3 V，将会一直保留数据。
    C805lF304的P0．0和P0．1端口与BQ272lO的SCL和SDA引脚相连接，通过I2C总线实现数据传输，以用于单片机控制电路对电池充放电状态的查询或中断处理，同时利用该串行接口电路还可以读、写操作BQ27210中的各个内部寄存器，读出所需的电池信息。
4．2 软件设计
    软件设计分为两个部分，一是C805lF304单片机端口I／O的初始化配置。主要通过正确配置端口I／O交叉开关寄存器XBR0，XBRl，XBR2中的值，使数字交叉开关使能．同时把PO．0、P0．1端口分配给SDA、SCL。将0X00赋值给寄存器XBR0，使交叉开关不跳过任何一个引脚，仅将寄存器XBRl的位2置于“l”就使SDA，SCL连接到引脚上。二是BQ27210的EEPROM初始化配置。实际上，通过I2C总线接口就能将正确的配置信息固化到EPPROM中，这些重要信息包括计算得到的初始电池放电量、EDVl，EDVF门限电压、初始待机负载电流、放电率补偿常数、温度补偿常数等。BQ27210每经历一次强复位都会把更新的EEPROM信息强制写入RAM相应的寄存器中。但值得注意的是在对EEPROM数据区写入任何数据前，必须保证编程模式使能，通过把数据OXDD写入EE_EN寄存器地址0X6E后，将激活编程使能模式，同时在PGM引脚上加一个持续时间为50ms的2l V脉冲信号，这样即可将所需数据写入EEPROM的合适地址中。图4为BQ27210的EEPROM编程流程图。
    现给出单片机C805lF304通过I2C总线协议读取BQ272lO内部RAM存放的最新电池放电量和电池电压信息的部分程序代码：
    
5 结语
    本仪器使用时应注意：开机前应将治疗剂量调小，以避免电流刺激。治疗部位要舒展，手臂不要打弯，手不要握拳。心脏、太阳穴部位严禁治疗。采用嵌入式器件AT89C51 SNDlC设计的治疗仪已达到预期的治疗效果，但此电子治疗仪的功能还需进一步完善，如治疗剂量的自动记忆、病症与歌曲旋律的自动匹配问题等。