便携式光电侦察装备电源管理系统设计
王 乐 1，曾 钰 2，周根东1，海云波1，白陶艳1
（1.西安应用光学研究所陕西西安710165；2.陕西航空电气有限责任公司陕西西安710165）
摘要： 目前国内大多数便携式光电侦察设备采用可充电锂离子电池或者锂聚合物电池供给电能，电池电量不足会导致单兵光电手持设备不能正常运行。针对这一问题，文章以锂电池为检测对象，设计一种高效率、高密度、高可靠性电源管理系统，实现锂电池组的电荷、电压、电流和温度测量，输入负载均分、多路电压供电、电源控制、后端负载管理等功能。该控制系统操作简单、精度高、体积小、便携性强，经试验验证，满足便携式光电侦察装备电源管理需求。
关键词： 便携式光电侦察设备；锂电池；电源管理系统；负载管理
便携式光电侦察装备作为单兵履行侦察任务的重要手段，已由单一的可见光观瞄仪，发展到集成可见光、红外、激光等光电传感器的综合侦察仪器，可全天候对战场目标进行远距搜索、观察、测量[1]。这些功能会消耗大量电能，电池电量不足将导致设备无法正常工作。因此对电池状态进行精准检测，并对后端负载进行有效管理[2]，对确保侦察设备正常工作是十分必要的。
电源管理系统针对某型单兵光电侦察设备设计一种电源管理方案，为设备提供各种用电需求，同时提供路径选择、电源动态管理、电池电量监控[3]等功能，并实时上报电池组状态与电量信息确保对单兵野战设备电能的可靠供给，进而确保我军单兵战斗力的有效提升[3]。
小学低年级学生的内心不够专注，容易被其他事物分散注意力，这时我们教师就要运用巧妙的手段来帮助学生排除一些事物的干扰，引导学生将注意力放在文章之中。在进行低年级语文阅读教学时，我就引导学生用手眼相结合的方法来专心阅读。例如，在进行文章阅读时，我就要求学生在手里拿着笔去做一些标注。手里有了笔，学生在遇到一些难以理解的句子时就可标注下来，而不是因为句子难懂而跳过或者直接放弃文章；手里有了笔，学生就可以将文章中的细节圈出来，从而更加专心地阅读文章；手里有了笔，学生的注意力就集中了起来，阅读效率就能得到提高。随着这种阅读与记录同时进行的习惯的慢慢养成，学生在阅读时的专注程度就会不断提高。
1 电源管理系统方案设计
电源管理系统主要实现：负载均分、电池电量监控、电压转换、负载管理、与上位机通信5 个功能。负载均分电路可在电池与电源适配器之间实现电源自动切换；电池电量监控电路对电池内部化学成分和电量状态数据的内部电子部分进行测量、计算和存储，并通过I2C 总线报送给微处理器；电压转换电路将输入电压转换成设备内部模块需要的各种电压：+12 V，+5 V，+3.3 V，+2.8 V；负载管理控制各模块的用电情况；电源管理系统使用微处理器进行数据处理，同时完成与上位机的通讯，通过与系统主控板交互电池状态信息，微处理器可及时打开、关闭所需外设，以延长设备使用时间。
图1 电源管理系统信号交联图
2 硬件电路设计
2.1 负载均分
光电装备采用外部电源适配器和四节18650锂电池并行供电方式[4]，其中外部适配器输出电压为+15 V，而四节串联的18650 锂电池的供电电压范围是10.8～14.8 V[5]。在未接入适配器时装备使用电池组供电，接入适配器后直接切换为适配器供电。负载均分电路采用凌特公司的LTC4412 芯片，该芯片通过提供一个低损耗和接近理想的二极管控制器功能简化了路径选择的管理和控制，该二极管的正向压降远远低于常规二极管，而且反向漏电流也较小，微小的正向压降降低了功耗和自发热[6]。
图2 负载均分电路
电池组和电源适配器间的自动电源切换功能如图2所示。其中 D2 是一个 P 沟道 MOSFET，LTC4412通过控制D2 的栅极实现系统中电池组的接入与移出，LTC4412 的STAT 引脚用以指示电池组状态。
未接入电源适配器时，系统由电池组供电，LTC4412 将 D2 两端电压降调节至 20 mV，该 MOS 管消耗的电能可忽略，此时STAT 引脚处于开路状态。
①电压输入范围5～32 V，输出电流：6 A，固定电压输出3.3 V 或5 V；
电源适配器或其它电源接入系统时，SENSE 引脚电压上升。当SENSE 引脚电压大于Vin-20 mV时，LTC4412 将上拉 GATE 电压以关断 D2；当 SENSE引脚上的电压超过VIN+20 mV 时，STAT 引脚将吸收10 μA 电流，以指示电源适配器接入系统。此时，电池组至系统的通路处于反向关断模式，电池组被移出系统，负载功率由外部适配器提供。外部二极管D1 用于保护电池免遭某些辅助输入故障的损坏。
如图3所示,在ANSYS中建立鹤式起重机机构的有限元模型,机构各个杆件参数及对应符号如表1所示.应用ANSYS的PDS模块，研究各杆件参数的随机波动性对起吊终点Y向位移的影响.采用中心复合抽样的方法,迭代次数为27,再通过蒙特卡罗扩展求解,扩展计算迭代次数为10 000.
2.2 电池电量监控模块
先前的研究已经确定非洲猪瘟病毒不同分离株的最小或中立感染剂量在102和105之间，具体数量取决于毒株毒力、暴露频率和入侵方式。目前还没有中国流行的非洲猪瘟Georgia分离株在饲料中的感染剂量的报道。饲料或原科中经典猪瘟病毒感染剂量的报道数据也很少。
“哦，我半个月前去外地出差，在那边遇到一个自称老贾的人，他卖给我的。看来我遇到的老贾八成就是你说的那个人了。”中年人说着抱紧了箱子，生怕孟导急了来抢。
通过监视外部高压检测电阻器R8 两端的电压，并对该信息进行积分运算以推断电荷量。芯片内部的双向模拟积分器可适应任一种电流极性（电池充电或放电），且可编程预定标器能兼容众多的电池容量。电荷、电压、电流和温度信息通过I2C 接口传送至微处理器，微处理器通过此接口对电池电量测量芯片进行配置[8]。主机可对所有测量参数设置高门限和低门限，当门限被超过时，电池电量测量芯片通过ALCC 引脚发出报警信号。
图3 电池电量监控电路
为保证电量监控电路测量值的准确度，SENSE+与SENSE-之间的压差应该保持在±50 mV 之间，当压差超过300 mV 时精度便难以保证。感应电阻的大小由最大感应电压及流经系统的最大电流来决定，根据式（1）可求得检测电阻R 8的最大阻值。
通过检测电阻，测量电压、电流、电量，温度信息，并将这些信息保存在内部的16 位寄存器中。主控电路通过I2C 总线设置控制寄存器控制芯片的工作模式。设置寄存器的B[7：6]可以改变模数转换器的工作模式。芯片可以工作在连续转换模式、扫描模式、人工模式及睡眠模式，由于电池特性不是突变型变量，我们将 B[7：6]设置为“10”即扫描模式，每隔10 秒进行一次数据采集。寄存器B[5：3]可以改变电荷计数器的比例因子，电量积分的精确度依赖于该比例参数，该比例因子的设置依赖于式3，其中QBAT 为电池组容量。B[2：1]用来设置 ALCC 引脚工作模式，ALCC 可工作在报警模式，此时当电压、电流、温度高于或低于我们设定的门限值时，ALCC 输出低电平；工作在充电完成模式时，该引脚为输入引脚，指示监控电路电池充电完成；当该位为00 时ALCC 被禁止，我们将引脚配置为报警模式。当B[0]为1 时，电路的模拟部分关闭，此时寄存器中关于电压、电流、电量的值均为之前保存的值，通常为无效值，为了保证采集数据的准确性，将B[0]设置为0。
电池电量测量电路采用Linear 公司芯片LTC2943，该器件可直接测量3.6 V至20 V 电池组。与多节电池电压的连接不需要在电源和测量引脚上布设电平移位电路，因而可最大限度地降低总电流消耗并保持测量准确度。芯片内置4个14位ADC，可实现1%以内的电荷、电压、电流和温度的精确测量[7]。
电量监控电路对电池组进行电压、电流、温度、电荷量的实时监控，监控电路工作于扫描模式，每10秒采集一次数据，将各测量值二进制数据保存在对应寄存器中，根据官方给定公式可得但各参数测量真值[9]。每个测量参数对应两个门限值，且门限值放在各门限寄存器中，测试完毕后芯片会将测试值与门限值进行对比，由于我们已将ALCC 设置为报警模式，当测量值不在门限范围内，ALCC 输出低电平，引起主控电路进入外部中断进行相应处理。
采用SPSS 22.0统计学软件对所得数据进行分析研究。计量资料采用(±s)表示,以t值检验;计数资料采用%表示,以x2检验。当P<0.05时,对比差异具有统计学意义。
2.3 电压转换电路
以此，学校在开展物理教学“对分课堂”时，应当做好充分的准备.前期要展开深刻的调研活动，了解学生对物理学习的偏好，把握住学生的兴趣点，有针对性的开展适合本校、适合人教版教材的教学方法、另外，教师也要做好充分的课前准备，到有经验的学校展开观摩学习、交流研讨，深刻体会“对分课堂”的教学内涵，把物理教学真正融入到教学当中.
2001年4月，余东义怀揣着对新疆、对兵团的梦想与妻子樊金丽踏上了西行的火车，来到了五师九十一团四连。30岁年轻力壮的他，被选到团场炮点担任一名炮手，保护着团场几万亩农作物不受冰雹的危害。
①可以驱动电流达5 A 的负载，宽电压输入范围（4.5～42 V）；
②负责系统主控板、图像处理板、磁罗盘、OLED、激光指示器的供电。
2）15～5 V 转换，选择开关稳压器 LTC3609：
首选方案：TDF/FTC（或TDF+3TC或ABC/3TC或 ABC+3TC）+LPV/r（或 RAL）。
②负责激光测距机、热像仪、CCD 的供电。
3）5～3.3 V 转换，选择LM3940：
1）15～12 V 转换，选择开关稳压器LM2678：
4）5～2.8 V 转换，选择 LM2987：
输出电流1 A，负责单片机、GPS 的供电。
输出电流1 A，激光指示器供电。
2.4 微处理器模块
由于处理器已成为嵌入式系统主要的功率消耗源，因此对于便携式设备，在选择处理器时，除了考虑其性能和功能外，不能忽视其功耗特性。为了满足低功耗系统设计需求，设计选用TI 公司的超低功耗 16 位单片机 MSP430F1611，芯片使用 1.8～3.6 V 供电，运行电流为330 μA，待机模式时仅为1.1 μA；芯片支持I2C 接口，只需软件配置即可完全实现I2C 功能，相较于软件模拟实现I2C 操作，能够减少CPU 负荷。其中P3.1、P3.3 分别为I2C 总线的时钟信号线和数据信号线，由于芯片内部采用漏极开路工艺，所以把这两个引脚作为I2C 总线接口使用时，需要外接上拉电阻[10]。
控制电路使用微控制器（MCU）功率管理系统，通过增加切断电源的方式，可以有效降低系统的功耗。MSP430 单片机包括停机模式、深度睡眠模式、休眠模式3 种停机模式及一种等待模式，在接到复位信号时，微控制器处于工作状态，这是正常的工作模式；在执行等待指令时，微控制器便进入等待模式，此时微处理器关掉CPU 时钟信号，但微控制器其他外设的时钟信号仍然工作，从而降低功耗，停机模式可以进一步降低功耗[11]。
2.5 负载管理
电源管理系统采用负载管理技术[12]，在不同的工作状态为有效工作电路供电，而将暂时停用的电路断电，可最大限度的减小电池组消耗。
多功能便携式光电装备由功能电路和传感器组成，这些功能电路和传感器均为电源系统的负载。随着各负载模块工作电压的不同，对电源电压的要求也不相同，因此有多种电源支路。负载管理电路由电源管理芯片及负载开关组成。
电源管理IC 组成的负载管理[13]：微控制器通过控制电源的工作来实现负载管理。微控制器通过对电源管理芯片的逻辑端口进行控制，完全打开或关闭稳压器的输出，来实现负载管理。本系统中共有4种电源，其中12 V 给传感器供电；5 V 供电给电子磁罗盘、计算机板、双目OLED；3.3 V 供电给电源管理板、GPS；2.8 V 供电给激光指示器。在某种工作状态时，需要部分电源导通、部分关断，只要在电源管理芯片的导通端的使能引脚加逻辑高电平，在关闭端的使能引脚加逻辑低电平即可。
图4 控制电路
图5 负载管理电路1
负载开关IC 组成的负载管理[14]：负载管理也可以由微处理器与多个负载开关组成，负载开关是一种功率电子开关，由微处理器及多个光MOS继电器组成的负载管理结构如图6所示。各光MOS 继电器接在电源与负载之间，其使能端与微处理器的I/O 口连接，在不同的工作状态时，由微处理器给各个光MOS 继电器的使能端输出相应逻辑电平即可。
图6 负载管理电路2
3 单片机与上位机通信的软件设计
系统软件设计主要完成电量信息的采集及传输，系统工作流程如图7所示。由于电量是连续变化物理量，不会产生突变，因此电量采集使用定时采集方法[15]。为了节省电能，处理器在完成初始化以后进入低功耗模式，当有定时器中断时，才从低功耗模式分别进入中断子程序，运行相应处理程序，将从电池监控模块读取到的电压、电流、温度等信息发送给系统主控板，然后继续进入低功耗模式；当有串口中断时，微处理器按照既定协议与上位机通信，根据接收指令打开、关闭相应DC/DC 电源模块或使能相关光MOS 继电器，从而完成对负载的管理[16]。
图7 电源管理系统微控制器工作流程
4 结束语
文中分析某型便携式光电侦察装备的用电需求，给出电源管理系统的设计组成，详细介绍负载均分、电池组电量监控、电压转换、负载管理的设计过程、工作流程，完成一种基于电池组的电源管理系统的设计。该设计采用低功耗设计，可便携式应用，经试验验证安全可靠，能够大幅度提升供电效能，提高单兵光电侦察装备的电能可靠供给。
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Design of power management system for portable photoelectric reconnaissance equipment
WANG Le1，ZENG Yu2，ZHOU Gen⁃dong1，HAI Yun⁃bo1，BAI Tao⁃yan1
（1.Xi ’an Institute of Applied Optics ，Xi ’an 710065，China ；2.Shaanxi Aero Electric co. ，LTD ，Xi ’an 710165，China ）
Abstract: The current domestic most portable photoelectric reconnaissance equipment uses the rechargeable lithium ion batteries or lithium olymer battery supply power，battary deficiency can lead to individual photoelectric device can not run normally.In order to slove this problem，based on the lithium battery as test object，design a kind of high efficienc，high density，high reliability of power supply manangement system，implementation of lituium battery charge，voltage，current and temperature measurement，the input load split，multi-channel voltage power supply，power control，the back end load management，and other functions.the control system is simple in operation，high in precision，small in size and high in portability.it is tested and verified to meet the power supply tube of portable photoelectric reconnaissance equipment.
Key words: portable photoelectric reconnaissance equipment；lithium batteries；power management system；load management
中图分类号： TP303.3
文献标识码： A
文章编号： 1674-6236（2019）03-0184-05
收稿日期： 2018-04-11稿件编号： 201804107
作者简介： 王乐（1986—），男，陕西西安人，硕士研究生。研究方向：电子电气技术。
标签：便携式光电侦察设备论文; 锂电池论文; 电源管理系统论文; 负载管理论文; 西安应用光学研究所陕西西安论文; 陕西航空电气有限责任公司陕西西安论文;