CN102621378B - 超微功耗rc积分测量电源电压方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电源电压的测量技术领域，特别是涉及直流供电的嵌入式系统中所需的电源电压的测量技术领域，具体涉及超微功耗RC积分测量电源电压方法。现有技术测量电源电压的方法存在会造成能源浪费的问题。为克服现有技术存在的问题，本发明提供一种超微功耗RC积分测量电源电压方法，所述方法为：开始测量前的t1时刻将MCU可编程引脚置为输出低电平，放电到RC公共端电压为MCU输出的低电平Vol，置MCU可编程引脚为输入并开始计时，计当前时间为t2；电源经电阻R给电阻C充电，MCU不断监测引脚电压，到高电平时的t3时刻停止计时；分析t2到t3的时间长短，即可获得电源的电压值。本发明的测量方法简单易行，特别适用于无线传感器网络节点等电池供电的场合。

Description

超微功耗RC积分测量电源电压方法

技术领域

本发明涉及电源电压的测量技术领域，特别是涉及直流供电的嵌入式系统中所需的电源电压的测量技术领域，具体涉及超微功耗RC积分测量电源电压方法。

背景技术

在便携嵌入式系统中，为保证设备正常工作，防止系统加电、电源突然“掉电”以及电网瞬态欠压时引起误动作，需要设计可靠的电源电压监视电路以采集电源电压状态，确定工作模式及是否能够执行某些任务。采用电源电压监视专用集成电路器（如TI的TL7705CP等）能够获得电源是否高于某个阈值，但无法测量出电源的电压，也就无法为电池能量管理提供更多信息。而通常电源电压高于嵌入式系统处理器内部或外部扩展模数转换器的工作电压，需采用分压电路才能将电源电压接入进行测量，由于电阻分压电路无法关闭，在设备不工作时也会消耗电池能量，造成能源浪费。

发明内容

本发明要提供一种低成本超微功耗RC积分测量电源电压方法，以克服现有技术存在的会造成能源浪费的问题。

为克服现有技术存在的问题，本发明提供一种超微功耗RC积分测量电源电压方法，所采用的电路包括电阻R，电容C和MCU，电阻R一端分别接待测电源和MCU的供电端，另一端接电容C；电容另一脚接地，电阻R和电容C的公共连接端接MCU的可编程输入输出引脚Px；

所采用的测量方法，是开始测量前的t1时刻将MCU可编程引脚置为输出低电平，放电到RC公共端电压为MCU输出的低电平Vol，置MCU可编程引脚为输入并开始计时，计当前时间为t2；电源经电阻R给电阻C充电，MCU不断监测引脚电压，到高电平时的t3时刻停止计时；分析t2到t3的时间长短，即可获得电源的电压值。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明的测量方法简单易行：

公知的RC充电电路多用于MCU的复位，在电源上电后延迟一段时间升高以利于MCU内部复位；也有用于测量非MCU工作电源的其他路供电状态的检测，即供电的有无；其原理是通过MCU作为输入的引脚判断电平高低得知供电的状态。

而本发明将公知的电路的使用方法进行了调整，使其可以对电源的电压进行测量。

2、本发明的方法非常适用于电池或外部能源有限的便携及野外低功耗电压检测情况，非常适用于长期低功耗的野外监测系统使用，特别适用于无线传感器网络节点等电池供电的场合。

附图说明

图1  超微功耗RC积分测量电源电压的电路原理图；

图2  波形时序示意图。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明进行详细地说明。

参见图1，一种超微功耗RC积分测量电源电压方法所采用的电路，包括电阻R，电容C和MCU，电阻R一端分别接待测电源和MCU的供电端，另一端接电容C；电容C另一脚接地，电阻R和电容C的公共连接端接MCU的可编程输入输出引脚Px。

参见图2，本发明采用RC电路充电到达某一阈值的时间与电压高低相关的原理，利用嵌入式MCU引脚可以编程为输入或输出的特点，提供的方法如下：

在开始测量前的t1时刻将MCU可编程引脚置为输出低电平，放电到RC公共端电压为MCU输出的低电平Vol，置MCU可编程引脚为输入并开始计时，计当前时间为t2；电源经电阻R给电阻C充电，MCU不断监测引脚电压，到高电平时的t3时刻停止计时；分析t2到t3的时间长短，即可获得电源的电压值。

具体分析如下：

由RC充电原理可知：假设起始时刻电容C两端电压V为Vol，则开始充电后电容两端电压V与电阻R、电容C、电源电压Vcc、及时间t之间的关系如下：

V(t) = (Vcc-Vol) * (1- exp(- t / (R*C) )

到达反转门限Vih的时间t=t3-t2为如下式：

t = R*C*Ln[(Vcc-Vol)/(Vcc-Vih)]

其中Vcc为待测电压；Vol为初始时刻的电容两端电压；Vih为电平反转电压门限。则有：

Vcc = (Vih / (1- exp(- t / (R*C) ) ) )+ Vol

其中，t=t3-t2。

简便计算：由于指数函数的库较大、运算速度较慢，不适于在程序和内存都非常有限的小规模MCU上使用，可以利用泰勒级数展开的思想对电压计算公式进行简化计算。由泰勒级数展开可知：

Vcc = (Vih / (1- exp(- t / (R*C) ) ) )+ Vol

令 x=1/(R*C)，则有

Vcc≈ Vol+5*Vih*(1-2*t*x + t* t*x*x - t* t* t*x*x*x/3 + t* t* t* t*x*x*x*x/12)

已知对于某型号的MCU的Vol、Vih以及测量电路RC的数值，则通过上述电路配个简单计算即可获得电源电压Vcc值；同时计算时采用4字节整型，电压单位取作毫伏，可方便计算。

影响测量精度的因素及消除：上述测量关系未考虑MCU引脚在中间电平时的漏电流、电阻电容的标称值与实际值间的差异、高电平门限电压Vih等的不一致，可以将Vih、Vol和积分时间RC作为配置参数即可。

器件选择：RC的选择应考虑到积分时间、引脚功耗等。由于大部分CMOS工艺MCU引脚对于电压上升时间有一定要求，并考虑到电容充放电过程的电荷损耗，建议电阻R取值范围为500K欧~5M欧、电容C取值为1000p~3000p。

Claims (1)

1.一种超微功耗RC积分测量电源电压方法，所采用的电路包括电阻R，电容C和MCU，电阻R一端分别接待测电源和MCU的供电端，另一端接电容C；电容另一脚接地，电阻R和电容C的公共连接端接MCU的可编程输入输出引脚                                                ；其特征在于：通过测量电源经RC充电电路达到MCU可编程输入输出引脚翻转门限的时间推算电源电压，其步骤在于：

步骤一：将MCU可编程输入输出引脚置为输出低电平，使RC公共连接端电压为MCU输出的低电平； 步骤二：t2时刻置MCU可编程输入输出引脚为输入并开始计时，电源经电阻R给电容C充电； 步骤三：MCU不断监测引脚电压，到高电平时停止计时并记下时刻t3； 步骤四：分析t2到t3的时间长短，即可获得电源的电压值，通过如下的算法实现：

利用泰勒级数展开的思想对电压计算公式进行简化计算，由泰勒级数展开可知：

令x=1/(R*C)，则有 Vcc≈ Vol+5*Vih*(1-2*t*x + t* t*x*x - t* t* t*x*x*x/3 + t* t* t* t*x*x*x*x/12)； 其中t=t3-t2，为MCU输出低电平电压， 为高电平门限电压。