大多數(shù)手持設備使用堿性電池或可充電電池供電，因此測量電池容量是這類設計的一個關(guān)鍵特征。但是，在大多數(shù)情況下，對預算緊張的項目而言，使用電池電量監(jiān)控IC可能是一種奢望。本文提供了一種更簡單、更便宜的選擇。

如今，即使是最便宜的MCU也常常包括內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）模塊，但是由于其分辨率（相對）較低，噪聲水平較高，因此這一模塊并非總是得到使用。然而，那些未使用的內(nèi)部ADC通道之一，足以用于執(zhí)行測試，從而確定電池是否仍然可用。

EDR通過施加負載脈沖，評估電池對攻擊和恢復的響應時間，來對電池在負載下的狀況與所存儲的與電池性能相關(guān)的參數(shù)進行比較。如圖1所示，好的電池具有很強的恢復特性，而幾乎耗盡的電池則具有較大的放電斜率和較差的恢復能力。造成耗盡的電池出現(xiàn)這些差異的原因有多種，例如內(nèi)部電阻增加。

圖1：對比各種充電狀態(tài)下電池對臨時負載脈沖的響應，可以發(fā)現(xiàn)它們在EDR方面的差異

利用EDR理論，對電池電壓進行采樣，找到在特定時間下（例如最大功耗發(fā)生時）的最小電池電量，即可獲得有關(guān)電池健康狀況的信息。系統(tǒng)的初始開機時間（也稱為“打招呼”時間）是衡量電池健康狀況的一個特別好的時機。在系統(tǒng)完全啟動之前，電池電量似乎處于安全工作水平，但是，如果電池快要用盡了，則當系統(tǒng)達到滿負荷時，電池電量可能會立即降至安全水平以下。該設備會在不執(zhí)行EDR測試的情況下以正常模式啟動，但是卻會在第一次重載時不受控制地關(guān)閉（即電壓下降到如圖1所示的關(guān)鍵電池電量水平）。

圖2顯示了實現(xiàn)EDR測試的簡化硬件版本。此處選用負載電阻來代表整個系統(tǒng)負載，因此其值可以根據(jù)系統(tǒng)的不同進行改變。系統(tǒng)要生成此處所示的數(shù)據(jù)，需要一個10Ω的值。電阻R1和R2用作分壓器，實現(xiàn)對電池電壓（Vcc）的測量，而升壓電路則用于確保即使在測試期間電池電壓下降時，ADC的基準也保持恒定。電阻R3是開關(guān)晶體管的下拉電阻。

圖2：以上簡化原理圖顯示了EDR測試實現(xiàn)的總體設計

測試系統(tǒng)在設定的時間段（約200ms）內(nèi)對電池電壓進行采樣。在固件控制下，MOSFET僅在測量周期的一半時間內(nèi)導通，然后關(guān)閉。這樣，系統(tǒng)就可以測量滿載情況下的電壓，以及最小負載時的電池恢復響應。（可以在固件中更改時間段，但我發(fā)現(xiàn)200ms足以充分評估電池容量。）測量完成后，可以通過UART鏈路讀出結(jié)果。

在為演示EDR所搭建的示例系統(tǒng)中，我使用了兩節(jié)AA堿性電池，因此Vcc的最大值為3.2V。升壓電壓Vdd設置為恒定的3.6V。系統(tǒng)在正常情況下消耗55mA，但在滿載時消耗127mA。使用“好”電池（圖3a）和“壞”電池（即耗盡的電池，圖3b）對系統(tǒng)進行測試時所獲得的示波器跡線，表明了欠載電壓的差異有多大。

圖3：電池電壓的負載測試結(jié)果顯示，充滿電的電池（a）和幾乎耗盡的電池（b），它們的響應之間存在顯著差異

我在某些項目中使用的示例設計基于STM32F303 MCU，其固件使用KEIL IDE用C語言編寫。可以在此GitHub頁面上找到這個固件。

測試代碼的流程圖如圖4所示。一旦UART收到“S”字符，就會執(zhí)行測試。ADC采樣頻率設置為250Hz，如前所述，測試周期約為200ms。

圖4：EDR測試代碼將負載接通，以一半的測試時間采樣，然后斷開負載，完成采樣周期

這個代碼僅用于進行測試和收集數(shù)據(jù)。處理數(shù)據(jù)有很多方案。在最簡單的情況下，可以查看數(shù)據(jù)的最小值，然后將其與系統(tǒng)的安全工作電壓水平（也稱為臨界水平）進行比較。如果在測試過程中電池電壓接近臨界水平，則可以警告系統(tǒng)用戶該更換電池了。

可以編寫更全面的算法來精確確定電池健康狀況，例如用作電池電量指示器。然而，為了在顯示器或電池指示器上向用戶更新、顯示適當?shù)臄?shù)據(jù)，還應對所采集的數(shù)據(jù)進行過濾。若原始數(shù)據(jù)未經(jīng)過適當過濾，那么負載變化將導致其完全無用。緩慢的無限脈沖響應（IIR）濾波器可以對信號進行正常平滑。


文章來源：eeweb Adem Kaya

編輯：ymf