摘  要： 采用DS2786B芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于S3C2440A處理器的手持式分析診斷儀電池電量計(jì)模塊。介紹了該模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，以及基于Windows CE 5.0操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的開發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模塊工作穩(wěn)定可靠，能精確地測量電池電量并實(shí)時(shí)在用戶界面顯示，在嵌入式便攜設(shè)備中有很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 電池電量計(jì)；DS2786B；S3C2440A；驅(qū)動；Windows CE

　現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，長期在高溫、高速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)用狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)對工業(yè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)分析和故障預(yù)警是保證設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行的有效手段，因此，以嵌入式技術(shù)為核心的手持式分析診斷儀在工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛使用。手持式儀器為了保證便攜性大都采用鋰電池供電，電池電量的精確測量可以給儀器的正常使用提供有效的保障。本文采用DS2786B芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于S3C2440A處理器的手持式分析診斷儀電池電量計(jì)模塊。
1 硬件設(shè)計(jì)
1.1 S3C2440A處理器簡介
　S3C2440A是Samsung公司推出的由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32 bit RISC微處理器，采用的ARM920T內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了存儲器管理單元（MMU），先進(jìn)微控制總線構(gòu)架AMBA總線和哈佛架構(gòu)的高速緩沖體系結(jié)構(gòu)[1]。該結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16 KB指令高速緩存和16 KB數(shù)據(jù)高速緩存。S3C2440A采用全靜態(tài)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡潔，為手持設(shè)備和普通應(yīng)用提供了低功耗和高性能的微控制器的解決方案，在嵌入式設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。
1.2 電池電量計(jì)模塊電路
　本文的手持式分析診斷儀電池電量計(jì)模塊采用的是一款由美國Maxim公司推出的基于開路電壓（OCV）的獨(dú)立式電量計(jì)量芯片——DS2786B。該芯片利用庫侖計(jì)與電池開路電壓的模型組合計(jì)算可充電鋰離子（Li+）電池的可用容量。根據(jù)電池閑置期間的OCV，利用存儲在片上EEPROM中的電池特性和應(yīng)用參數(shù)可以得到電池準(zhǔn)確的電量信息。電池在高速率放電時(shí)無法使用OCV測量，因此DS2786B使用庫侖計(jì)作為估算相對電量的第二種方法[2]。DS2786B也可以監(jiān)測電池電壓、電流和溫度信息。
　DS2786B內(nèi)部工作原理框圖如圖1所示。VDD為DS2786B芯片工作電源輸入引腳，輸入范圍為2.5 V~5.5 V；VIN為電池電壓輸入引腳；VSS為芯片地引腳，連接到檢流電阻的電池側(cè)；SNS為電流檢測輸入，連接到檢流電阻的主機(jī)側(cè)；VPROG引腳為芯片內(nèi)部EEPROM編程電壓輸入引腳，連接到外部電源編程可以修改EEPROM中儲存的電池模型參數(shù)，正常工作期間連接至VSS；SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，SCL為串行時(shí)鐘輸入引腳；AIN0和AIN1為兩個(gè)輔助電壓輸入引腳；VOUT為電壓輸出引腳，給輔助輸入電壓測量分壓器供電。

1.3 電池特性描述
　電池電量計(jì)模塊對電池電量的精確測量依賴于DS2786B內(nèi)部EEPROM中儲存的OCV電池模型。OCV電池模型是對開路電壓與電池剩余電量關(guān)系的一種9點(diǎn)分段線性近似，可通過改變EEPROM中容量和電壓斷點(diǎn)寄存器進(jìn)行修改。容量寄存器分辨率為0.5%，容量0固定為0%，容量8固定為100%，不得修改。電壓斷點(diǎn)寄存器分辨率為1.22 mV，每個(gè)電壓斷點(diǎn)需要MSB和LSB兩個(gè)字節(jié)。
　本文的手持式分析診斷儀使用容量為4.8 Ah的鋰電池，電池的OCV曲線如圖3所示，依據(jù)9點(diǎn)分段線性近似選取的電池OCV曲線的電壓斷點(diǎn)數(shù)據(jù)及對應(yīng)寄存器值如表1所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 驅(qū)動程序設(shè)計(jì)
　本文的手持式分析診斷儀采用的操作系統(tǒng)是微軟公司的32 bit實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 5.0。Windows CE可以在多種架構(gòu)的CPU上運(yùn)行，內(nèi)核小占用內(nèi)存少，性能穩(wěn)定可靠。DS2786B芯片不是Windows CE系統(tǒng)支持的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，為了保證電量計(jì)模塊硬件能與操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，需要使用集成開發(fā)工具Platform Builder 5.0為DS2786B芯片開發(fā)驅(qū)動程序并添加到系統(tǒng)內(nèi)核中。
　本文為電池電量計(jì)模塊開發(fā)了流接口驅(qū)動程序。流接口驅(qū)動程序也叫可安裝的驅(qū)動程序，是一種用戶模式的動態(tài)鏈接庫（DLL），由設(shè)備管理器（device.exe）動態(tài)加載管理。流接口適合于任何在邏輯上被認(rèn)為是一個(gè)數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)存儲的I/O設(shè)備，即任何以產(chǎn)生或者消耗數(shù)據(jù)流作為主要功能的外圍設(shè)備。流接口驅(qū)動設(shè)備對應(yīng)用程序表現(xiàn)為一個(gè)文件，應(yīng)用程序通過文件API使用設(shè)備管理器和流接口驅(qū)動與硬件通信。開發(fā)流接口驅(qū)動需要實(shí)現(xiàn)一組標(biāo)準(zhǔn)的流接口函數(shù)[3]。下面給出為DS2786B芯片開發(fā)的流接口驅(qū)動兩個(gè)主要的函數(shù)：
　（1）FGA_Init（）函數(shù)完成為S3C2440A的I/O寄存器和I2C寄存器分配虛擬地址并映射到操作系統(tǒng)可以訪問的虛擬地址空間中，并對寄存器進(jìn)行配置的初始化工作。部分代碼如下：
DWORD FGA_Init（DWORD dwContext）
{  
    v_pIOPregs = （volatile S3C2440A_IOPORT_REG*）VirtualAlloc（0， sizeof（S3C2440A_IOPORT_REG），
MEM_RESERVE， PAGE_NOACCESS）；
//為I/O寄存器分配虛擬地址空間
    if（!v_pIOPregs）    return NULL；
    if（!VirtualCopy（（PVOID）v_pIOPregs， （PVOID）（S3C2440A_BASE_REG_PA_IOPORT>> 8）， sizeof（S3C2440A_IOPORT_REG）， PAGE_PHYSICAL|PAGE_READWRITE|PAGE_NOCACHE））
//完成地址空間映射
    return NULL；
    v_pIICRegs = （volatile S3C2440A_IICBUS_REG *）VirtualAlloc（0， sizeof（S3C2440A_IICBUS_REG），
        MEM_RESERVE， PAGE_NOACCESS）；
//為I2C寄存器分配虛擬地址空間
    if（!v_pIICRegs）   return NULL；
    if（!VirtualCopy（（PVOID）v_pIICRegs， （PVOID）（S3C2440A_BASE_REG_PA_IICBUS>>8），
        sizeof（S3C2440A_IICBUS_REG）， PAGE_PHYSICAL|PAGE_READWRITE|PAGE_NOCACHE））//完成地址空間映射
    return NULL；
    v_pIOPregs->GPECON &=~（15<<28）；
    v_pIOPregs->GPECON |=（10<<28）；
//配置GPE14為IICSCL，GPE15為IICSDA
    v_pIICRegs->IICCON =（1<<7）|（1<<6）|（1<<5）| （0xf）；//配置I2C控制寄存器
    return TRUE；
}
　（2） FGA_Read（）函數(shù)完成對DS2786B芯片采集到的電池電量數(shù)據(jù)讀取。其中的I2C_WRITE（）和IIC_READ（）是根據(jù)DS2786B的I2C總線接口基本傳輸格式和S3C2440A的I2C總線接口主發(fā)送和主接收模式的操作流程（如圖4所示）編寫的I2C讀寫函數(shù)。代碼如下：
DWORD FGA_Read（DWORD hOpenContext，LPVOID pBuffer， DWORD Count）
{
    pTemp_Buff t=（pTemp_Buff）pBuffer；
    IIC_WRITE（Command，Com_Rcall）；
//配置DS2786B命令寄存器為讀操作
IIC_READ（Relative_Capacity）；
//讀取DS2786B相對容量寄存器
        t->data=IICDSData；
//將讀取到的電池電量數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序
    return 1；
}

　DS2786B的流接口驅(qū)動程序編寫完成后，使用Platform Builder對驅(qū)動工程進(jìn)行編譯生成驅(qū)動的動態(tài)鏈接庫fuelgauge.dll文件，并將其集成到系統(tǒng)內(nèi)核NK.bin中。操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序可以通過文件API調(diào)用驅(qū)動程序。
2.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)及驅(qū)動程序測試
　本文使用EVC++集成開發(fā)工具，根據(jù)MFC的消息映射機(jī)制[4]為手持式分析診斷儀開發(fā)了一個(gè)電池電量實(shí)時(shí)顯示程序BatCap.exe。BatCap.exe通過調(diào)用fuelgauge.dll實(shí)時(shí)獲取電池電量數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)界面更新和顯示。程序運(yùn)行界面如圖5所示。

　利用BatCap.exe程序可以對電池電量計(jì)模塊驅(qū)動程序進(jìn)行測試。測試步驟如下：（1）根據(jù)BatCap.exe程序界面電池電量的顯示和圖2的電池OCV曲線圖，得出相應(yīng)電池剩余電量百分比所對應(yīng)電池OCV模型中理想開路電壓值；（2）用萬用表測得此時(shí)電池的實(shí)際開路電壓值，并將兩電壓值進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)采用基本精度為±0.1%的UT56數(shù)字萬用表，選取電池剩余電量百分比為100%（滿電量）、80%、66%（2/3電量）、50%、33%（1/3電量）和5%（低電量報(bào)警電量）6個(gè)狀態(tài)進(jìn)行測量，測試數(shù)據(jù)如表2所示。測試數(shù)據(jù)表明，電池電量模塊驅(qū)動程序測量電池剩余電量相對誤差范圍為±0.30%，能精確地測量電池剩余電量。

　本文采用DS2786B芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于S3C2440A的手持式分析診斷儀電池電量計(jì)模塊，同時(shí)開發(fā)了電池電量計(jì)模塊在Windows CE 5.0操作系統(tǒng)下的驅(qū)動程序和桌面電池剩余電量實(shí)時(shí)顯示的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了完整的電池電量計(jì)軟硬件模塊。該模塊設(shè)計(jì)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，對電池剩余電量測量準(zhǔn)確，工作穩(wěn)定可靠，在嵌入式便攜設(shè)備中有很好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] SAMSUNG Inc. S3C2440A 32-bit microprocessor user′s manual[Z]. SAMSUNG Inc， 2004.
[2] MAXIM. Stand-alone OCV-based fuel gauge DS2786B data sheet[Z]. Maxim Integrated Products， 2010.
[3] 張冬泉，譚南林， 蘇樹強(qiáng).Windows CE 實(shí)用開發(fā)技術(shù)[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2009.
[4] DOUGLAS B. Programming Microsoft Windows CE.NET[M].America： Microsoft Press， 2003.