基于SMBus的智能锂动力电池总线系统的实现

('基于SMBus的智能锂动力电池总线系统的实现吴珍毅;任开春;李锐;秦恺;牟浩【摘要】介绍了系统管理总线SMBus（SmartManegementBus），SMBus是智能电池系统SBS（SmartBaterrySystem）中升压单元、电池充电单元、控制单元、锂动力电池及外设之间的互连接口，它能对电池的充放电电流、电压、温度、容量等重要参数进行监测和控制。%TheSystemManagementBusSMBus(SmartManegementBus)isintroduced.SMBusSmartBatterySystemSBS(SmartBaterrySystem)inthestep-upunitistheinterconnectionbetweenthebatterychargingunit,controlunit,lithiumbatteriesandperipheralsinterface.Itcanmonitorandcontroltheimportantparametersforbattery,suchascharging/dischargingcurrent,voltagecurrent,voltage,temperatureandcapacity.【期刊名称】《北京联合大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(026)004【总页数】4页(P14-17)【关键词】系统管理总线;智能电池;锂动力电池【作者】吴珍毅;任开春;李锐;秦恺;牟浩【作者单位】重庆通信学院控制工程重点实验室,重庆400035;重庆通信学院机电教研室,重庆400035;重庆通信学院控制工程重点实验室,重庆400035;重庆通信学院控制工程重点实验室,重庆400035;重庆通信学院控制工程重点实验室,重庆400035【正文语种】中文【中图分类】TM9110引言随着智能电池系统的出现，在保证使用安全的情况下，电池的性能得到了充分的发挥。完善的智能电池系统可以解决充电器对电池的伤害，延长电池的使用寿命，更快速、更安全地完成充电过程，提高电池充电效率，对危险情况(如潜在的电压超限)具有检测和快速反应能力，告知用户电池的使用情况，具有良好的人机交互接口。系统管理总线SMBus(SmartManegementBus)是智能电池系统SBS(SmartBaterrySystem)中升压单元、电池充电单元、控制单元、锂动力电池及外设之间的互连接口［1］。SMBus是智能电池系统元件之间的标准总线结构在I2C总线基础上发展而来的，是一种与I2C总线高度兼容的总线。SBS-IF(SmartBatterySystemImplementerForum，智能电池开发者协会)为SMBus定义了完善的总线协议，包括电路结构、电气参数、数据结构、传输格式和校验方式等。随着规范的不断完善和更新，SMBus已经广泛应用于IT产品之中，在智能仪器和工业测控领域也得到了越来越多的应用。1SMBus规范协议分析1.1SMBus总线结构SMBus由两根总线即串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)构成，主要应用于主从系统。主器件控制总线操作，包括开始/结束传输、发送信息并产生SMBus总线系统时钟等。在整个传输过程中，所有的传送都通过主控的SCL来同步，使总线有“线与”功能，所有器件的SMBus接口都必须是漏极开路或集电极开路的，并且通过上拉电阻使总线在空闲状态下为高电平状态。这种结构能使不同速度的器件同步运行。图1是典型的SMBus总线结构图。图1SMBus总线拓扑结构1.2SMBus通讯时序及数据传输总线上的所有器件都有一个唯一的地址，且都可以工作在传送或接收方式，因此，有4种工作模式，即主发送、主接收、从发送和从接收。SMBus总线还具有总线仲裁功能，保证在同一时间只有一个主器件在控制总线。图2读一个字节(上)和写一个字节(下)的时序格式SMBus总线读/写一个字节的时序格式如图2所示。图中白色块是主器件控制SDA线，灰色块是从器件控制SDA线，SCL线一直都由主器件控制。由图可见，传输由一个开始条件发起，并由一个结束条件终止。SDA上的数据在SCL高电平时必须保持稳定，不允许有电平跳变;SDA电平只有在SCL低电平时才可以改变。开始条件和结束条件是特殊的，可以在SCL高电平时改变SDA的电平，在SCL高电平时，开始条件是把SDA从高电平拉到低电平，而结束条件则把SDA从低电平拉到高电平。开始条件和结束条件的这种定义方法可以避免电平与传输的数据相混淆。SMBus协议定义了12种传输命令格式，其中以读/写一个字节命令格式最为重要。本次设计的控制器主要用这两种命令格式，所以本次重点分析这两种格式，其具体实现过程如下:1)总线空闲时SDA和SCL保证为高电平，等待开始条件。2)主控产生开始条件，表明要发起传输。3)主控传送一个7位地址和一个写位，指定目标器件和写方式。4)目标器件应答。5)主控传送一个8位CommandCode，指定本次操作类型。6)目标器件应答。7)如果是writebyte，主控直接传送1byte数据，如果是readbyte，则要产生restart条件，后跟目标地址和一个读位，然后开始接收目标数据。8)由接收方应答。9)主控发出结束条件，结束整个传输。在SMBus上传输的每一个数据包包括8个数据位和1个确认位，所以需要9个SCL时钟，主控确认位时释放总线，由从器件来驱动SDA。图3图示出了一次典型的SMBus数据传输过程。2系统SMBus电池总线2.1系统通信流程一个完整的智能电池系统主要由智能电池、智能充电机、主机组成，系统通信方案如图4所示。模块之间通过SMBus总线进行连接和通信，形成了一个分布式控制结构。2.2智能充电机智能充电机通过SMBus接收智能电池提出的充电需求和充电参数，以提供相匹配的充电电压和充电电流，让智能电池控制自己的充电周期，当智能电池检测到充电条件或温度条件达到设定极限等故障时，充电机也会收到危险信息，并做出相应的处理［2］。现在的充电机还附加了电源选择功能，当电池充满以及系统连接到交流电源时，充电机不允许电池为系统供电，以此延长电池的使用寿命。本设计中采用了Maxim公司的MAX1660作为智能充电机的控制核心。智能充电机的充电参数是智能电池通过SMBus提供的，其他如输入电流限制、电源选择等参数和功能是通过SMBus由主机来设置和检测的。图3典型的SMBus数据传输过程图4系统通信实现框图2.3智能电池智能电池可以自动对电池进行管理，本系统的智能电池主要由单体锂动力电池、PS200电池管理器、升压单元电路、参数检测电路组成。本文选用额定容量为100Ah，型号为TS-LCP100AHA雷天牌电池进行实验。放电终止电压为2.0V，充电终止电压为4.2V，标准充电电流为1C。本系统的智能电池采用Microchip公司的PS200作为控制核心，结合周边器件组成完整的智能电池方案［3］。PS200是用于可再充电电池管理的完全现场可编程单芯片电池管理器，它结合了高性能低功耗MicrochipPIC18单片机内核、PowerSmart特有的监视/控制算法以及存放在片内16kB可再编程Flash存储器中的3D电池模型，片内模拟资源包括一个16位Σ－△积分A/D和混合信号电路，用于精确测量电池电流、温度和电压。片上EEPROM用于存放用户配置和“自学习”电池参数［4］。智能电池与主机进行通信时，先用联络命令获取当前的通信状态和系统的一些基本参数，确认当前通信是否畅通。联络成功后开始进行实时数据的读取，当用户需要对系统相关参数进行设置时，可通过主机进行设定，而且能通过主机操作系统，提供给用户放电终止、剩余容量低于用户设定值、剩余使用时间低于用户设定值等报警信息;当智能电池通过SMBus与智能充电机进行通信时，智能电池在接收到请求时会提供数据，传递电池参数给智能充电机，在测量或计算到某个参数达到内部预先设置的极限时会广播危险报警信息［5］。本智能电池的SMBus通信接口与智能电池规范V1.1a全兼容，与系统主机按SMBusV1.1规范通信，具体通信协议在此不详细描述。2.4系统主机通信实现系统主机采用了美国微芯公司出产的dsPIC30F3014单片机，它是一款高性能精简指令集RISCCPU，使用DO和REPEAT指令可支持无需循环计数管理开销的程序循环结构，这两条指令在任何时候都可被中断。此单片机具有标准的SMBus接口和USB接口，能与智能电池系统进行直接通信，完成相关数据的读取和命令的发送功能［6］。连接在SMBus上的每个设备都有其独一无二的设备地址，智能电池的设备地址为0001011，充电机的设备地址为0001001，单片机的设备地址为0101100。设备通过地址可以发起和接收与自己相关的通信。本系统中单片机有3种工作状态:正常工作、睡眠和停机，在其正常工作时可应用SMBus通信［7］。通信规则及命令遵守SBSDataSpec，MCU正常工作状态:采用高速时钟，以125ms为运行周期;周期开始时，MCU测量数据，并为SMBus传输和控制计算数据，计算结束时MCU进入高速等待状态，直到下一周期开始，如图5所示。以单片机读取智能电池剩余百分比为例(事实上，单片机会定时去读取智能电池的信息包)，这种情况下单片机作为主机按照SMBus协议对智能电池进行读操作，其详细步骤为:1)根据数据规范协议SBDatal．1，查找出剩余容量百分比对应的操作命令码为0x0D。2)查看SMBus是否空闲，如果空闲，单片机发出START信号，通信开始。3)单片机发送包含从地址的数据包，从地址最后一位表示写操作。4)等待接收ACK，如果智能电池接收到此地址，它应该发送ACK给单片机，建立通信握手。5)发送操作命令码，发送成功后将收到ACK信号。6)发送包含从地址的读数据包，从地址最后一位表示读操作。如果发送成功，单片机同样会接收到智能电池发出的ACK信号。7)智能电池系统把单片机操作命令对应的数据传给单片机，每次一个字节，多个字节分多次传送，单片机每收到一个字节就应答一个ACK，最后一个字节传送完成，智能电池发出STOP信号，退出通信接收。这样，智能电池系统成功地将电池剩余百分比发送到单片机上，对于其他数据也类似。最后单片机可以把这些数据保存在一个数组里。MCU停机:停止一切操作，主机通信可通过设置FlashROM中的控制位来允许或禁止。MCU睡眠状态:采用低速时钟，每10s检查一次电流值，当电流值大于闲置状态的电流值时，系统进入正常状态。MCU处理完数据之后需要等待10s的周期之后才进入低速工作状态。系统每2min进入正常状态，若超过1s仍没有检测到充电电流，系统将再次进入睡眠状态，如图6所示。3结束语本文对智能锂动力电池系统管理总线的通信原理和过程作了简单的描述，它利用电池管理专用芯片结合高性能低功耗单片机实现了锂动力电池的智能管理，可以广泛应用于笔记本电脑、便携式电子产品、不间断电源、汽车、航空/航天、军事等领域，很好地解决了如何高效安全的使用锂动力电池的问题，因此文章介绍的智能电池系统具有较强的实用性和广泛的应用前途。图5SMBus正常通信图6SBS应用SMBus实现低功耗管理［参考文献］［1］DanF，MikeM．SBSSmartBatteryInterfaceGuidelines［M］．Version1.0，SBSImplementersForum．1998:3－6．［2］庄建华，刁超．基于SMBus的便携式设备智能电池系统的实现［J］．计算机工程，2005，5(10):22－25．［3］崔健，鲁志平．SMBus分析及其在MCU通信中的应用［J］．微计算机信息，2002(6):99－100．［4］RobertA．SMBusArchitectureandImplementationOverview［C］．ProceedingsofIEEECustomIntegratedCircuitsConference，1996，137(1):31－34．［5］王大瑞．锂电池智能管理系统设计［D］．山东大学，2006:17－19．［6］陈涛．智能电池系统的SMBus总线控制器设计与验证［D］．哈尔滨工业大学，2008:57－60．［7］乔晓军．符合SMBus2.0协议单节智能锂电池系统的设计［J］．电子技术应用，2006(5):99－101．',)