摘要：對(duì)于電池供電設(shè)備來(lái)說(shuō)，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(guò)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：

要求	說(shuō)明
轉(zhuǎn)換溫度但禁用報(bào)警	該功能執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換，但不記錄任何數(shù)據(jù)。雖然每次轉(zhuǎn)換后器件采樣計(jì)數(shù)器的值增加，但不記錄溫度，并且不可對(duì)轉(zhuǎn)換消耗的能量進(jìn)行定量計(jì)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(jì)算能量損耗所需的歷史記錄。
未使用記錄器時(shí)RTC振蕩器停止工作	DS1922/DS1923的實(shí)時(shí)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(zhuǎn)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(gè)月，它將消耗大約15000次溫度轉(zhuǎn)換的能量。
未使用時(shí)，記錄器在25°C (室溫)以下存儲(chǔ)數(shù)據(jù)	溫度高于45°C時(shí)電池自放電，且記錄器的漏電流增加。
非強(qiáng)制轉(zhuǎn)換	雖然器件采樣計(jì)數(shù)器的值增加不能對(duì)消耗的能量進(jìn)行定量計(jì)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(qiáng)制轉(zhuǎn)換消耗的電量非常小。

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(guò)程直到任務(wù)結(jié)束。圖1說(shuō)明該事件的過(guò)程。所有采樣間隔的時(shí)間相同。

圖1. 溫度記錄過(guò)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(lái)說(shuō)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(lái)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(lái)。例如，如果在1小時(shí)之內(nèi)溫度改變不超過(guò)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(guò)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(wú)關(guān)的加法器。總電量區(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(guò)程中，數(shù)據(jù)隨記錄器移動(dòng)并可用來(lái)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(guò)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。