DS1922/DS1923電池電量計

摘要：對于電池供電設備來說，跟蹤剩余可用電量非常重要。能量消耗與溫度和使用歷史有關。 借助于溫度記錄器，這些數(shù)據(jù)大多可在正常使用時附帶產生。本應用筆記論述了如何在執(zhí)行任務期間估計消耗的電量，以及如何使用OneWireViewer將電池的“電量監(jiān)測”數(shù)據(jù)保存到記錄存儲器中。

動機 - 必要性

便攜式設備的可靠性取決于能源狀況，低電池電壓下即使最佳的器件也不可能完全發(fā)揮其作用。對手機可充電電池進行監(jiān)測已成為一個標準需求。如何確定常規(guī)電池的剩余電量？如果借助于溫度記錄器，如何知道電池是否有足夠電量支持后續(xù)任務？這些正是本文所要討論的內容。

前提條件

設備運行時，隨著時間的流逝，電池能量會以自放電(老化)和正常消耗的方式流失掉。電池的自放電率和硅片的能量損耗與溫度的關系非常密切。溫度越高，能量損耗越大。如果知道電池的初始電量、溫度變化過程，以及正常使用時的放電率，就擁有了估算電池剩余電量所必需的數(shù)據(jù)。電池的初始電量以mAh為單位，可參考電池數(shù)據(jù)資料獲得。具有挑戰(zhàn)性的任務是獲取電池的溫度變化歷史數(shù)據(jù)以及電池供電設備的電流消耗指標。

如果溫度記錄器非常小，工作期間電池溫度與記錄的溫度值近似相同。溫度記錄iButton DS1922/DS1923的內部功耗和進行溫度轉換時所需提供的電量能夠在工廠測試的產品規(guī)格中找到。借助于這些信息，如果滿足下列各項要求，可以估計剩余電池電量：

要求	說明
轉換溫度但禁用報警	該功能執(zhí)行溫度轉換，但不記錄任何數(shù)據(jù)。雖然每次轉換后器件采樣計數(shù)器的值增加，但不記錄溫度，并且不可對轉換消耗的能量進行定量計算。
禁止改寫數(shù)據(jù)	如果使能數(shù)據(jù)改寫，將用新數(shù)據(jù)改寫溫度記錄數(shù)據(jù)，從而刪除計算能量損耗所需的歷史記錄。
未使用記錄器時RTC振蕩器停止工作	DS1922/DS1923的實時鐘(RTC)在室溫下工作三分鐘消耗的能量近似等于一次8位溫度轉換消耗的能量。雖然這一能量消耗非常小，但如果RTC持續(xù)工作一個月，它將消耗大約15000次溫度轉換的能量。
未使用時，記錄器在25°C (室溫)以下存儲數(shù)據(jù)	溫度高于45°C時電池自放電，且記錄器的漏電流增加。
非強制轉換	雖然器件采樣計數(shù)器的值增加不能對消耗的能量進行定量計算。與RTC振蕩器保持工作或器件處于高溫環(huán)境相比較，一次強制轉換消耗的電量非常小。

數(shù)學背景

任務設定以后，溫度記錄器記錄任務的開始時間，并設置控制采樣間隔的內部定時器。到達采樣間隔時，開始溫度轉換，并將結果存儲在數(shù)據(jù)存儲器中。間隔計時器自動設置下個采樣間隔，并且重復該過程直到任務結束。圖1說明該事件的過程。所有采樣間隔的時間相同。

圖1. 溫度記錄過程

可用下列算法估算工作期間電池消耗的電量：

對于工作期間的所有采樣以及每個采樣間隔，獲取記錄的溫度值，并且：

• 觀察該溫度下的直流負載電流，并乘以采樣間隔時間(圖2)。這是RTC和自放電消耗的能量(直流負載)。
• 觀察該溫度下溫度轉換的電量(圖3)，并加上采樣之間直流負載消耗的電量。

加上所有采樣間隔的電量。

圖2. 估算采樣之間的直流負載

圖3. 采樣時的電量

如圖2上部所示，假設采樣之間直流負載恒定。從數(shù)學上來說該方法等同于估算右側長方形(高度取決于每個子區(qū)間的右端點)的積分/面積。還有其他積分方式，例如用兩個采樣點的均值(中點)估算、梯形或Simpson算法，這些算法會提供更加準確的結果1。如果在一個恒溫設置點附近溫度循環(huán)，長方形導致的正負誤差平均值接近零。所以，針對此類應用，這種簡單的方法比較合理。

使用更短的采樣間隔也可減小積分誤差。采樣間隔的低限取決于執(zhí)行任務的時間以及可用來記錄數(shù)據(jù)的存儲器。采樣間隔較短時，溫度轉換消耗的能量增加。為節(jié)省能量，采樣速率的設置應該與被監(jiān)測對象的溫度變化聯(lián)系起來。例如，如果在1小時之內溫度改變不超過1°C，則可使用30分鐘的采樣間隔。

理論應用

上文給出的數(shù)學模型可通過Gas Gauge Spreadsheet (ZIP，597kB)文件實現(xiàn)。該電子表格有兩個查找表，一個用于DS1922L/DS1923，另一個用于DS1922T。電子表格還有兩個計算標簽。圖4為DS1922L/DS1923的計算標簽圖。用戶在黃色區(qū)域輸入數(shù)據(jù)，在藍綠色區(qū)域顯示結果。未被標為高亮度的區(qū)域是圖標(采樣號)或中間結果，例如查詢結果和每次采樣之間的電量消耗。進行11位溫度轉換時，查找表中的轉換消耗電量乘以8。濕度轉換消耗的電量是與溫度無關的加法器?？傠娏繀^(qū)域中的數(shù)值以μA為單位，表示采樣之間的電量總和。除不具備濕度記錄功能外，DS1922T的計算標簽與DS1922L/DS1923相同。

利用任務瀏覽器(OneWireViewer應用程序的子程序)[2,3]，操作流程如下：

• 記錄器從任務返回后，用瀏覽器Command標簽上的Disable Mission按鈕結束任務。
• 點擊瀏覽器Device Data標簽中的Temperature，顯示記錄的溫度數(shù)據(jù)曲線。
• 光標放在該曲線上，點擊鼠標右鍵。 選擇“Copy Data to Clipboard without Labels”，并點擊鼠標左鍵。
• 打開Gas Gauge Spreadsheet中相應的計算標簽。
• 選擇第一個溫度采樣的輸入字段并點擊Paste。將全部溫度記錄復制到電子表格。
• 點擊瀏覽器Device Data標簽中的Status。
• 將Sample Rate的數(shù)值(轉換成分鐘)復制到Sampling Interval字段，并將Mission Sample Count值復制到電子表格的Mission Samples字段。
• 如果Device Data標簽的Temperature Logging顯示0.0625，則溫度記錄的分辯率為11位。這種情況下，在電子表格的11-bit resolution字段輸入TRUE；0.5表明分辯率為8位。如果采集濕度值，在電子表格的Humidity logging字段輸入TRUE。

這時，Total Mission Charge顯示的是工作期間消耗電量的估算值。

圖4. Gas Gauge Spreadsheet的部分樣例

只有將正確的值輸入Previous Charge字段時，Remaining Charge中的值才有效。對于新器件的第一次任務，預充電值的額定值為48mAh， 在電子表格中預先設定。計算出任務消耗的電量之后，必須將結果存放在記錄器的用戶存儲器中，完成這一功能最簡單的方法是利用OneWireViewer的File Viewer。在第一個任務生成一個文件(如CHRG.0)后，ASCII標簽中鍵入諸如“電池充電47.975mAh”的字樣，后面還顯示有日期代碼，將文件寫入存儲器。這一過程中，數(shù)據(jù)隨記錄器移動并可用來計算下一次及其隨后的每個任務的剩余電量。 注：對于DS1922L和DS1923，在所有溫度和采樣率條件下，計算出的總電量與數(shù)據(jù)資料中的壽命曲線一致，誤差在1%之內。對于DS1922T，采樣間隔大于等于1分鐘，溫度大于等于+50°C時誤差小于2%。當采樣間隔小于1分鐘，且溫度低于+50°C時，估算的誤差可達10%，比DS1922T數(shù)據(jù)資料中的壽命曲線更準確。出現(xiàn)這一差別的原因是，從Gas Gauge Spreadsheet的數(shù)據(jù)可以看出DS1922T電池的自放電很小。

結論

通過相當簡單的數(shù)學推斷，可以跟蹤執(zhí)行任務期間的消耗電量。本應用筆記中給出的方案為該設計理念提供了可行性，可以很容易地集成在一個自動化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。知道剩余電量并估算下一任務所需的最大電量，可使用戶在有效使用期限內對記錄器加以充分利用，從而降低溫度監(jiān)測的總成本。