對(duì)于電池供電設(shè)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(guān)。借助于溫度記錄器,，這些數(shù)據(jù)大多可在正常使用時(shí)附帶產(chǎn)生。本應(yīng)用筆記論述了如何在執(zhí)行任務(wù)期間估計(jì)消耗的電量,，以及如何使用OneWireViewer將電池的“電量監(jiān)測(cè)”數(shù)據(jù)保存到記錄存儲(chǔ)器中,。

動(dòng)機(jī) - 必要性

        便攜式設(shè)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(duì)手機(jī)可充電電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)已成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(wù),？這些正是本文所要討論的內(nèi)容。

前提條件

        設(shè)備運(yùn)行時(shí),，隨著時(shí)間的流逝,，電池能量會(huì)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(guān)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(shí)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?cái)?shù)據(jù)資料獲得。具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)是獲取電池的溫度變化歷史數(shù)據(jù)以及電池供電設(shè)備的電流消耗指標(biāo),。

        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(nèi)部功耗和進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換時(shí)所需提供的電量能夠在工廠測(cè)試的產(chǎn)品規(guī)格中找到,。借助于這些信息,，如果滿足下列各項(xiàng)要求，可以估計(jì)剩余電池電量：

 
數(shù)學(xué)背景

        任務(wù)設(shè)定以后，溫度記錄器記錄任務(wù)的開始時(shí)間,，并設(shè)置控制采樣間隔的內(nèi)部定時(shí)器,。到達(dá)采樣間隔時(shí)，開始溫度轉(zhuǎn)換,，并將結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中,。間隔計(jì)時(shí)器自動(dòng)設(shè)置下個(gè)采樣間隔，并且重復(fù)該過程直到任務(wù)結(jié)束,。圖1說明該事件的過程,。所有采樣間隔的時(shí)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(duì)于工作期間的所有采樣以及每個(gè)采樣間隔,，獲取記錄的溫度值,，并且：

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

圖3. 采樣時(shí)的電量

         如圖2上部所示，假設(shè)采樣之間直流負(fù)載恒定,。從數(shù)學(xué)上來說該方法等同于估算右側(cè)長(zhǎng)方形(高度取決于每個(gè)子區(qū)間的右端點(diǎn))的積分/面積,。還有其他積分方式，例如用兩個(gè)采樣點(diǎn)的均值(中點(diǎn))估算,、梯形或Simpson算法,，這些算法會(huì)提供更加準(zhǔn)確的結(jié)果1。如果在一個(gè)恒溫設(shè)置點(diǎn)附近溫度循環(huán),，長(zhǎng)方形導(dǎo)致的正負(fù)誤差平均值接近零,。所以,，針對(duì)此類應(yīng)用，這種簡(jiǎn)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(wù)的時(shí)間以及可用來記錄數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。采樣間隔較短時(shí),，溫度轉(zhuǎn)換消耗的能量增加,。為節(jié)省能量，采樣速率的設(shè)置應(yīng)該與被監(jiān)測(cè)對(duì)象的溫度變化聯(lián)系起來,。例如,，如果在1小時(shí)之內(nèi)溫度改變不超過1°C，則可使用30分鐘的采樣間隔,。

理論應(yīng)用

        上文給出的數(shù)學(xué)模型可通過Gas Gauge Spreadsheet (ZIP，597kB)文件實(shí)現(xiàn),。該電子表格有兩個(gè)查找表,，一個(gè)用于DS1922L/DS1923，另一個(gè)用于DS1922T,。電子表格還有兩個(gè)計(jì)算標(biāo)簽,。圖4為DS1922L/DS1923的計(jì)算標(biāo)簽圖。用戶在黃色區(qū)域輸入數(shù)據(jù),，在藍(lán)綠色區(qū)域顯示結(jié)果,。未被標(biāo)為高亮度的區(qū)域是圖標(biāo)(采樣號(hào))或中間結(jié)果，例如查詢結(jié)果和每次采樣之間的電量消耗,。進(jìn)行11位溫度轉(zhuǎn)換時(shí),，查找表中的轉(zhuǎn)換消耗電量乘以8。濕度轉(zhuǎn)換消耗的電量是與溫度無關(guān)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(jì)算標(biāo)簽與DS1922L/DS1923相同。
利用任務(wù)瀏覽器(OneWireViewer應(yīng)用程序的子程序)[2,3],，操作流程如下：

記錄器從任務(wù)返回后,，用瀏覽器Command標(biāo)簽上的Disable Mission按鈕結(jié)束任務(wù)。

點(diǎn)擊瀏覽器Device Data標(biāo)簽中的Temperature,，顯示記錄的溫度數(shù)據(jù)曲線,。

光標(biāo)放在該曲線上，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵,。 選擇“Copy Data to Clipboard without Labels”,，并點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵,。

打開Gas Gauge Spreadsheet中相應(yīng)的計(jì)算標(biāo)簽。

選擇第一個(gè)溫度采樣的輸入字段并點(diǎn)擊Paste,。將全部溫度記錄復(fù)制到電子表格,。

點(diǎn)擊瀏覽器Device Data標(biāo)簽中的Status。

將Sample Rate的數(shù)值(轉(zhuǎn)換成分鐘)復(fù)制到Sampling Interval字段,，并將Mission Sample Count值復(fù)制到電子表格的Mission Samples字段,。

如果Device Data標(biāo)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(shí),，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(shí)，Remaining Charge中的值才有效,。對(duì)于新器件的第一次任務(wù),，預(yù)充電值的額定值為48mAh，在電子表格中預(yù)先設(shè)定,。計(jì)算出任務(wù)消耗的電量之后,，必須將結(jié)果存放在記錄器的用戶存儲(chǔ)器中，完成這一功能最簡(jiǎn)單的方法是利用OneWireViewer的File Viewer,。在第一個(gè)任務(wù)生成一個(gè)文件(如CHRG.0)后,，ASCII標(biāo)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(chǔ)器,。這一過程中，數(shù)據(jù)隨記錄器移動(dòng)并可用來計(jì)算下一次及其隨后的每個(gè)任務(wù)的剩余電量,。注：對(duì)于DS1922L和DS1923,，在所有溫度和采樣率條件下，計(jì)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(nèi),。對(duì)于DS1922T，采樣間隔大于等于1分鐘,，溫度大于等于+50°C時(shí)誤差小于2%,。當(dāng)采樣間隔小于1分鐘，且溫度低于+50°C時(shí),，估算的誤差可達(dá)10%,，比DS1922T數(shù)據(jù)資料中的壽命曲線更準(zhǔn)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(jié)論

         通過相當(dāng)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推斷,，可以跟蹤執(zhí)行任務(wù)期間的消耗電量。本應(yīng)用筆記中給出的方案為該設(shè)計(jì)理念提供了可行性,，可以很容易地集成在一個(gè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),。知道剩余電量并估算下一任務(wù)所需的最大電量，可使用戶在有效使用期限內(nèi)對(duì)記錄器加以充分利用,，從而降低溫度監(jiān)測(cè)的總成本,。

參考文獻(xiàn):

Bruce Pollack-Johnson and Audrey Borchardt: Excel Workbook of Integration Templates
OneWireViewer application
OneWireViewer User's Guide (Application Note 3358)