论文脚注怎么加_【学术论文】一种穿戴式系统电源控制器设计与实现

原标题:[学术论文]可穿戴系统电源控制器的设计与实现

摘要:

可穿戴系统电源控制器是基于单片机控制的电源控制器，为可穿戴系统提供电源管理功能它具有双电池充电/供电管理、内置单片机、电源开关软控制、远程关机、控制器各工作状态的实时监控和指示、电池电量信息的指示，以及与上位机通讯上传工作状态和电池电量等信息具有全保护、过流保护、短路保护、输入反接保护、双电池并联等保护功能本发明具有效率高、体积小、操作简单、功能齐全、双电池配置灵活、金属外壳电磁兼容性好、可靠性高等优点。电池可以通过控制器由太阳能电源或手动发电机充电，提高了现场应用的适应性

中文引文格式:詹姆斯。宋，吴林，谢，等.一种可穿戴系统电源控制器

1.1的设计与实现该控制器从电源接口输入

安9伏~ 28伏的电源，控制器可以给电池充电。当控制器连接到电池时，充电电流只给电池充电。当两个电池连接时，控制器内的均衡电路自动优先对电池进行低电量(电压)充电。电量低的电池分配较大的充电电流，两个电池的电量逐渐趋于一致，两个电池获得的充电电流也趋于平均分配。在充电过程中，指示灯闪烁绿色，全指示灯变绿。只要有直流输入，

控制器就可以给电池充电，这可以在受控启动状态或受控关闭状态下给电池充电。

1.2控制器电源

当控制器关闭时，按下电源开关约3秒后，控制器正常开启。控制器输出5伏和12伏电源，为系统中的其他设备供电当

控制器与电池连接时，电池为系统供电；当两个电池连接时，电量(电压)高的电池将优先向系统供电。高电量电池的放电电流大且趋于均匀。

1.3功能参数

1.3.1功能

控制器为可穿戴系统的信息处理单元、通信站、摄像机等设备供电。可以实现双电池的充电和供电管理；内置单片机实现与上位机的通信，上传电源工作状态、电池电量等信息

(1)操作模式:给电池组充电(即使控制器关闭，也可以进行充电)；电气设备的电源；同时，电池组被充电，电气设备被供电。

(2)数据通信传输:通过RS-232串口与上位机通信上传每个通道的电池容量和输出电压/电流等信息

(3)保护:全保护、过流、短路保护、输入反向连接保护、双电池并联保护

(5)指示:用三色发光管完成每个状态指示电量指示:电量充足指示灯为绿色，电量不足指示灯为橙色，电量严重不足指示灯为红色。充电指示:充电指示灯绿灯闪烁；充满绿色的灯光；开/关指示:长时间按下电源开关，指示灯交替闪烁红色和绿色；故障机器指示:当故障发生时，指示灯闪烁红色。

1.3.2技术规范

主要技术规范要求如下:

(1)输入电压:额定12 V电压输入；电压范围为9 v ~ 28 v。

(2)电源输出:DC 5 V输出，电流5A；；12 V直流输出，电流1 A

(3)匹配电池:匹配电池为锂聚合物电池，电池规格为7.2 V/10 Ah。有两节电池，可以单独使用，也可以并联使用。

(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是一款转换效率高于90%的高效同步整流充电管理芯片

LTC4006的充电电流由R7电阻设定，在恒流充电时R7的压降恒定在0.1 V，如图2所示，充电电流设定为4 A充电输出控制由晶体管V4实现。充电期间，充电输出控制信号VON1处于高电平，V4接通。充电完成后，VON1信号处于低电平，充电输出关闭当充电输出端短路时，通过肖特基二极管V8的箝位，充电输出可以快速关断。同时，微机监测到短路信息后，可以通过软件关闭充电输出

LTC4006的8引脚输出模拟信号，信号电压与充电电流成线性关系:当充电电路工作在恒流(4 A)充电状态时，8引脚电压为1.19V；；当充电电流为零时，8针电压为0.309伏；；充电电流(0 ~ 4a)与8条腿的电压(0.309伏~1.19伏)成线性关系。

在充电电路的输入端串联一个肖特基二极管(如图2中V1所示)，可以实现输入的反反向连接保护功能，提高设备的使用可靠性

2.2双电池管理电路

可穿戴系统配有两个7.2 V/10 Ah锂聚合物，以满足系统10小时的连续工作时间。两个电池分别通过电缆连接到控制器控制器设计了双电池管理电路，如图3所示。该系统的电池配置应用灵活，可以在单电池配置或双电池配置下工作。在双电池配置中，没有必要指定两个电池的电压相同。当

的电池电量(电压)变化较大时，控制器应能自动识别此时，如果处于充电状态，低功率电池将首先充电，如果处于放电状态，高功率电池将首先放电。该电路具有均衡功能和无缝切换，电路的隔离功能保证了双电池的安全运行，避免了大功率电池对小功率电池的放电现象。

如图3所示，当LTC4412的6引脚电压低于1引脚电压时，其5引脚电压处于低电平，MOS管导通，电路导通工作。相反，当LTC4412的6引脚电压高于1引脚电压时，金属氧化物半导体晶体管截止，电路反相截止该功能相当于二极管:它具有“正”相导通和“负”相截止功能。“正”相导通压降很小(金属氧化物半导体管上的导通压降)，该电路也称为“理想二极管”电路。双电池管理电路由四个LTC4412芯片和

控制器中的P沟道金属氧化物半导体晶体管设计而成N2、N4、V9和V11构成一个充电均衡电路。充电电压VB优先以低电量(电压)对电池充电。电量低的电池分配较大的充电电流。两个电池的电量逐渐趋于一致，两个电池获得的充电电流也趋于均匀。N3、N5、V10和V12形成放电均衡电路。电量大的电池优先给设备供电。它们的放电电流很大。两个电池的电量逐渐趋于一致，放电电流也趋于平均分配。

两个电量不同的电池连接到控制器上进行一段时间的充电或放电，它们的电量将趋于一致并具有自动均衡功能。同时，电路具有隔离功能，两个电池并联工作在系统中，通过电路相互隔离，避免了两个电池之间的相互放电，保证了两个电池工作的安全性；电路的应用使电池具有热插拔功能；当系统在双操作模式下工作时，任何电池都被拔掉，这样系统就不会出现异常并保持正常工作状态；当系统在单一操作中工作时，增加另一个电池，使得系统不会异常并保持正常工作状态。

2.3 DC/DC转换电路

直流/DC转换电路如图4所示:当控制器启动时，开关控制的电池电压VD分别送至电源转换模块(B1)和升压电路(N7)，为系统获得5 V和12 V电源

B1(sip 10w-12s 05 A)是一种高效的非隔离电源转换模块，输出为10安，输入为6伏~ 14伏输出电压由R13的电阻值设定。考虑到大电流的压降，电路中的输出电压设定为5.3 V左右，转换效率高于95%

LT1370是一款升压转换控制芯片。升压电路的输出电压由R21与R22的比值设定:Vout = Vfbx(1+R21/R22)(Vfb = 1.245V)，电路的转换效率高于90%

5 V和12 V电源的输出设计有过流和短路保护。N6(LT6107)是一个5 V电源电流采样放大芯片，输出电压信号与输出电流的关系为:1 5V = 1 OUT×R15×(R16/R14)。当输出电流为5 V时，输出电压信号为2V；；N8是一个12 V电源电流采样放大器芯片。当12 V输出电流为1 A时，其输出电压信号为2 V单片机分别对两个电流信号进行采样，并进行过流保护短路保护的工作原理与充电输出短路保护的工作原理相同。

2.4开/关控制电路

开关控制电路如图5所示:当控制器关闭时，按下复位开关K1，电池电压VC通过二极管V26和N9给单片机供电；通过R32和R33获得的另一个无源光网络信号被发送到单片机的P1.5端口。在P1.5端口检测到大约3秒的连续高电平之后，P1.6端口的SON信号被反相为高电平，金属氧化物半导体晶体管V22导通，并且控制器导通。控制器接通后，开关K1释放，通过V24由VD维持单片机电源。控制器保持启动状态当

处于控制器启动状态时，复位开关K1被按下。在单片机监控连续高电平的无源光网络信号约3秒后，无源光网络被反相为低电平，金属氧化物半导体管V22被关闭，控制器被关闭。控制器关闭后，开关K1释放，单片机电源关闭，控制器保持关机状态

当控制器关闭时，控制器的电源输入端口连接到DC电源，图2所示的充电电路开始工作，其充电电压VB通过图5所示的V25向单片机供电单片机开始工作，监控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无需启动即可给电池充电的要求。

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C8051F330单片机组成微控制器集成了闪存、内部数据内存、10位模数转换器、17个数字输入/输出引脚等。它是一个高效的8位微处理器，大大简化了硬件电路设计。微控制器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，实现控制器的远程控制关机，上传电池电量和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等信息

C8051F020端口配置:P0.1为功率输出控制(VON2)端口；P0.2为红灯控制端口；P0.3为绿灯控制端口；P0.4和P0.5是串行通信端口；P0.6~P1.4为电压和电流采样的输入端口；P1.5是PON端口；P1.6是功率开关管控制信号(SON)端口；P1.7是充电输出控制信号(VON1)端口

详细介绍了控制器的工作原理，重点介绍了如何结合硬件电路和软件设计实现双电池管理和对控制器工作状态的监控。该系统可配备一节电池或两节电池，以获得更长的待机工作时间。使用两节电池时，一节电池可以随时拔出或插入，系统不会断电。监控控制器的充电和电量信息，并通过双色发光二极管指示；通过串口上传电池电量、电压、电流等信息

可穿戴系统电源控制器具有效率高、体积小、操作简单、功能齐全(带电池充电功能)、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:

詹姆斯。宋、吴林、谢、