CN107894526B - 一种电池电压检测装置、方法以及信息安全设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池电压检测装置、方法以及信息安全设备。该电池电压检测装置，包括：微处理器以及比较器；所述微处理器，用于生成PWM信号，并将所述PWM信号由所述第一I/O端口输出至所述比较器；所述比较器，用于接收电池电压信号；比较所述PWM信号的电压值和所述电池电压信号的电压值，以及根据比较结果生成输出信号，所述输出信号由所述第二I/O端口输入所述微处理器；所述微处理器，还用于根据所述输出信号的电压值调整所述PWM信号的电压值，直至检测到所述输出信号的电压值发生跳变；根据所述输出信号电压值的跳变时刻以及所述PWM信号的电压值，确定所述电池电压信号的电压值。

Description

一种电池电压检测装置、方法以及信息安全设备
技术领域
本发明涉及电路检测技术领域，尤其涉及一种电池电压检测装置、方法以及信息安全设备。
背景技术
在电池电压检测领域，常采用模数转换器(ADC，Analog-to-Digital Converter)作为电压检测工具，此模块具有检测精度高，响应速度快等特点。但是，对于诸如加密锁、加密卡等信息安全设备而言因为其内部的微处理器(MCU，Micro Controller Unit)没有ADC模块，所以也就不具备电池电压检测的功能。为了在信息安全设备中实现电压检测的功能，可以考虑在信息安全设备中添加单独的ADC模块，但会引起成本的增加，成本的增加对大部分用户而言比较敏感，所以从成本考虑一般不在信息安全设备中添加单独的ADC模块。
然而，在实际使用中，由于电池没电导致信息安全设备使用不良的情况又频频发生，因此，如何在不具有ADC模块的设备中，以尽量低的成本实现电池电压的检测成为一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电池电压检测装置、方法以及信息安全设备，以实现在不具有ADC模块的设备中，以尽量低的成本实现电池电压的检测。
为了解决上述技术问题，本发明提供了：
第一方面，本发明提供一种电池电压检测装置，包括：微处理器以及比较器；所述微处理器包括第一输入/输出(I/O，Input-or-Output)端口以及第二I/O端口；其中，所述微处理器，用于生成脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)信号，并将所述PWM信号由所述第一I/O端口输出至所述比较器；所述比较器，用于接收电池电压信号；比较所述PWM信号的电压值和所述电池电压信号的电压值，以及根据比较结果生成输出信号，所述输出信号由所述第二输入/输出端口输入所述微处理器；所述微处理器，还用于根据所述输出信号的电压值调整所述PWM信号的电压值，直至检测到所述输出信号的电压值发生跳变；根据所述输出信号电压值的跳变时刻以及所述PWM信号的电压值，确定所述电池电压信号的电压值。
第二方面，本发明提供一种电池电压检测方法，所述方法包括：生成PWM信号，并将所述PWM信号通过第一输入/输出端口输出至比较器；通过第二输入/输出端口接收所述比较器输出的输出信号，所述输出信号为所述比较器通过比较电池电压信号的电压值和所述PWM信号的电压值获得的；根据所述输出信号的电压值调整所述PWM信号的电压值，直至检测到所述输出信号的电压值发生跳变；根据所述输出信号电压值的跳变时刻以及所述PWM信号的电压值，确定所述电池电压信号的电压值。
第三方面，本发明提供一种信息安全设备，包括：电池和如上述一个或者多个技术方案所述的电池电压检测装置；所述电池电压检测装置，用于检测所述电池的电压值。
本发明所提供的电池电压检测装置、方法以及信息安全设备，该电池电压检测装置包括：微处理器以及比较器；其中，微处理器生成PWM信号，并将PWM信号由第一I/O端口输出至比较器，同时，电池电压信号也输出至比较器，然后，比较器比较PWM信号的电压值和电池电压信号的电压值，并根据比较结果生成相应的输出信号，之后，将输出信号由第二I/O端口输入微处理器，接下来，微处理器根据输出信号的电压值来调整PWM信号的电压值，直至检测到所述输出信号的电压值发生跳变，此时，微处理器就可以根据输出信号的跳变时刻以及PWM信号的电压值来计算电池电压信号的电压值。可见，仅仅采用一个比较器和MCU上的I/O端口就能够实现电池电压的检测，而无需在不存在ADC模块的MCU中增加ADC模块，以尽量低的成本实现电池电压的检测。
附图说明
图1为本发明实施例中的电池电压检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中的比较器的结构示意图；
图3为本发明实施例中的分压电路的结构示意图；
图4为本发明实施例中的电池电压检测装置的电路结构示意图；
图5为本发明实施例中的电池电压检测方法的实施流程示意图；
图6为本发明实施例中的信息安全设备的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
本发明实施例提供一种电池电压检测装置，该电池电压检测装置可以设置在信息安全设备中，用于检测该信息安全设备的电池电压。在实际应用中，上述信息安全设备可以为硬件时钟加密锁、加密卡、USBKey等独立的安全加密工具，本发明实施例不做具体限定。
图1为本发明实施例中的电池电压检测装置的结构示意图，参见图1所示，上述电池电压检测装置100可以包括：微处理器101以及比较器102；微处理器101包括第一I/O端口1011以及第二I/O端口1012；其中，微处理器101，用于生成PWM信号，并将PWM信号由第一I/O端口1011输出至比较器；比较器102，用于接收电池电压信号；比较PWM信号的电压值和电池电压信号的电压值，根据比较结果生成输出信号，并将输出信号由第二I/O端口1012输入微处理器；微处理器101，还用于根据输出信号的电压值调整PWM信号的电压值，直至检测到输出信号的电压值发生跳变；根据输出信号电压值的跳变时刻以及PWM信号的电压值计算电池电压信号的电压值。
下面对上述电池电压检测装置进行详细说明。
首先，介绍微处理器。
在本发明实施例中，上述MCU中不具备ADC模块，但是上述MCU包括定时器(Timer)，该定时器用于产生上述PWM信号，比如，利用定时器生成电压值为5V的PWM信号，还可以根据实际需要，生成1.25V、6V、12V等的PWM信号，只要PWM信号的电压值不大于或者等于比较器的工作电压即可，本发明实施例不做具体限定。
在实际应用中，PWM信号的脉冲频率和占空比均为可调的，本领域技术人员可根据实际需求自行设定，本发明实施例不做具体限定。
进一步地，MCU，可以用于当根据输出信号的电压值确定PWM信号的电压值低于电池电压信号时，调高PWM信号的电压值，直至检测到输出信号的电压值发生跳变；或者，还可以用于当根据输出信号的电压值确定PWM信号的电压值高于电池电压信号时，调低PWM信号的电压值，直至检测到输出信号的电压值发生跳变。
具体来说，MCU，用于当检测到输出信号的电压值为第一值时，调高PWM信号的电压值，并再次输出至比较器，直至输出信号的电压值跳变为第二值，这里，第一值可以大于第二值；当检测到输出信号的电压值由第一值跳变为第二值时，根据输出信号电压值的跳变时刻以及PWM信号的电压值计算电池电压信号的电压值。
例如，当PWM信号的电压值低于电池电压信号的电压值时，比较器生成电压值为第一值，如高电平的输出信号，此时，MCU检测到该高电平信号之后，调高PWM信号的电压值，直至输出信号的电压值跳变为第二值，如低电平，这时，PWM信号的电压值不低于电池电压信号的电压值，MCU可以根据输出信号电压值的跳变时刻以及PWM信号的电压值计算电池电压信号的电压值。
需要说明的是，由于MCU产生的PWM信号的初始电压值还可以大于电池电压信号的电压值，所以，MCU在检测到输出信号的电压值为第二值时，调低PWM信号，直至检测到输出信号的电压值跳变为第一值，即检测到输出信号由低电平跳变为高电平，此时，PWM信号的电压值不高于电池电压信号的电压值，MCU可以根据输出信号电压值的跳变时刻以及PWM信号的电压值计算电池电压信号的电压值，本发明不作具体限定。
在本发明实施例中，MCU可以在检测到输出信号的电压值发生跳变时，获取上一时刻的PWM信号的电压值；根据上一时刻的PWM信号的电压值计算电池电压信号的电压值。
这里，MCU通过调整PWM信号的电压值，使其一点一点的逼近电池电压信号的电压值，那么，当输出信号的电压值发生跳变时，说明跳变时刻的上一时刻的PWM信号的电压值最接近电池电压信号的电压值，所以，MCU可以在检测到输出信号的电压值发生跳变时，获取跳变时刻的上一时刻的PWM信号的电压值，然后，将上一时刻的PWM信号的电压值作为电池电压信号的电压值。
进一步地，为了提高计算电池电压值的准确率，MCU除了获取上一时刻的PWM信号的电压值，还可以获取当前时刻的PWM信号的电压值，然后，取两者的平均值，并将该平均值作为电池电压信号的电压值。
需要说明的是，上述实施例中每次调整PWM信号的电压值的增量值可以根据对计算电池电压值的不同精度需求确定，精度需求越高，则增量值越小，也就是说每次调整的电压值越小，反之，精度需求越低，则增量值越大，也就是说每次调整的电压值越大，本发明实施例不作具体限定。
接下来，介绍比较器。
在本发明实施例中，图2为本发明实施例中的比较器的结构示意图，参见图2所示，上述比较器102包括正相输入端“+”1021和反相输入端“-”1022，电池电压信号可以由正相输入端输入比较器102，PWM信号可以由反相输入端输入比较器102，由比较器102对PWM信号和电压信号进行比较，由输出端“OUT”1023输出用于表征比较结果的输出信号。
在实际应用中，也可以将电池电压信号与PWM信号互换，即电池电压信号由反相输入端输入比较器，PWM信号由正相输入端输入比较器，本发明实施例不做具体限定。
这里，当PWM信号的电压值低于电池电压信号的电压值时，生成电压值为第一值的输出信号，当PWM信号的电压值不低于电池电压信号的电压值，生成电压值为第二值的输出信号。
下面对上述电池电压检测装置的工作过程进行说明。
首先，MCU通过定时器产生电压值VPWM＝v1的PWM信号，由第一I/O端口输出至比较器的反相输入端，同时，电池输出电压信号至比较器的正相输入端，然后，比较器对PWM信号和电压信号进行电压值比较，生成输出信号，这里，如果PWM信号的电压值低于电池电压信号的电压值的话，输出信号则为高电平，此时，MCU调高PWM信号的电压值VPWM＝v2，v1<v2，然后MCU再将调高后的PWM信号再次输入比较器，与电池电压信号进行电压值比较，如此循环，直至输出信号跳变为低电平，此时，PWM信号的电压值不低于电池电压信号的电压值，那么，接下来，MCU根据PWM信号的电压值计算电池电压信号的电压值，也就是说，MCU在检测到输出信号由高电平跳变为低电平时，可以调取上一时刻的PWM信号的电压值，并将该电压值确定为电池电压信号的电压值，即为电池的实际电压。当然，MUC也可以调取当前时刻的PWM信号以及上一时刻的PWM信号的电压值，取两者的平均值，并将该平均值作为电池电压信号的电压值。
在具体实施过程中，为了避免电池电压过大导致比较器无法正常工作，上述电池电压检测装置还可以包括：分压电路，该分压电路，用于对电池进行分压，生成分压信号，并将分压信号作为电压信号输入比较器。
图3为本发明实施例中的分压电路的结构示意图，参见图3所示，该分压电路301至少包括第一分压电阻3011和第二分压电阻3012，第一分压电阻3011与第二分压电阻3012串联，第一分压电阻3011与第二分压电阻3012的连接端302与比较器的正相输入端连接，分压信号作为电压信号由连接端302输入正相输入端。第二分压电阻3012一端与第一分压电阻3011连接，另一端接地，第一分压电阻一端与第二分压电阻3012连接，另一端与电池的输出端连接。
在本发明实施例中，第一分压电阻与第二分压电阻的阻值相等，比如，第一分压电阻R1＝第二分压电阻R2＝1MΩ。此时，分压点处的电压值为电池电压信号的电压值的一半，比如，Vcc_Battery＝5V，分压点处的电压值1.25V。当然，分压电路还可以为其它结构，如并联分压电路，本发明实施例不做具体限定。
需要说明的是，为了确保电池放电电流最小，分压电阻可以为兆欧(Mohm)级的电阻。
进一步地，为了获得更为稳定的PWM信号，上述电池电压检测装置还可以包括：RC滤波电路，该RC滤波电路，用于对接收由第一I/O端口输出的PWM信号，对PWM信号进行滤波，并将滤波后的PWM信号输入比较器的反相输入端。
这里，RC滤波电路包括一端接地的电容C以及与电容C并联的电阻R，通过调节电阻R和电容C来调节PWM信号的持续时间，PWM经过几个毫秒(ms)之后可以产生一个具体的电压值。
下面以具体实例来对上述电池电压检测装置进行说明。
图4为本发明实施例中的电池电压检测装置的电路结构示意图，参见图4所示，电池电压检测装置包括：比较器401、分压电路402、MCU403、RC滤波电路404，MCU403包括第一I/O端口4031和第二I/O端口4032。
那么，首先，利用MCU内部定时器，在第一I/O端口上产生一个脉冲频率和占空比可调的PWM信号，PWM信号通过RC滤波电路之后，经过几个毫秒(ms)之后会产生一个具体的电压值，该PWM信号由第一I/O端口输出至比较器的反相输入端，在采集电池电压信号期间，MCU由低到高的进行PWM信号的输出；同时电池电压信号经过分压电路输出至比较器的正相输入端；然后，比较器对电压信号和PWM信号进行比较，由输出端向第二I/O端口输出用于表征比较结果的输出信号，MCU采集第二I/O端口上的输出信号，直到采集到输出信号为低电平，再调取通过低电平的上一时刻的PWM信号的电压值，并据此换算电池电压信号的电压值，如此，便可以推测出电池的实际电压值。
例如，信息安全设备本身利用MCU内部的定时器先模拟一个0.5V的电压接入反相输入；电池实际电压为2.5V，经过1/2分压网络为1.25V，接入比较器正相输入；第一I/O端口产生PWM信号后，经过10ms去检测第二I/O端口的电平值，若为电平值为1，说明电池的电压值高于PWM信号模拟出的电压值，MCU还需要继续调高PWM信号的电压值，依照上述步骤直到调节到第二I/O端口检测到电平值为0；这个时候，MCU再去调取上一时刻的PWM信号，即可非常近似的了解到电池的实际电压值。
本发明所提供的电池电压检测装置，包括：微处理器以及比较器；其中，微处理器生成PWM信号，并将PWM信号由第一I/O端口输出至比较器，同时，电池电压信号也输出至比较器，然后，比较器比较PWM信号的电压值和电池电压信号的电压值，并根据比较结果生成相应的输出信号，之后，将输出信号由第二I/O端口输入微处理器，接下来，微处理器根据输出信号的电压值来调整PWM信号的电压值，直至检测到所述输出信号的电压值发生跳变，此时，微处理器就可以根据输出信号的跳变时刻以及PWM信号的电压值来计算电池电压信号的电压值。可见，仅仅采用一个比较器和MCU上的I/O端口就能够实现电池电压的检测，而无需在不存在ADC模块的MCU中增加ADC模块，以尽量低的成本实现电池电压的检测。进一步地，由于比较器的实际体积只有SC-70封装大小，降低电路设计复杂程度，节约空间。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种电池电压检测方法，该方法可以应用于上述一个或者多个实施例中所述的MCU中。
图5为本发明实施例中的电池电压检测方法的实施流程示意图，参见图5所示，该方法包括：
S501：生成PWM信号，并将PWM信号通过第一I/O端口输出至比较器；
S502：通过第二I/O端口接收比较器输出的输出信号；
其中，输出信号为比较器通过比较电池电压信号的电压值和PWM信号的电压值获得的；
S503：根据输出信号的电压值调整PWM信号的电压值，直至检测到输出信号的电压值发生跳变；
S504：根据输出信号电压值的跳变时刻以及PWM信号的电压值确定电池电压信号的电压值。
进一步地，S503至S504可以具体包括：当根据输出信号的电压值确定PWM信号的电压值低于电池电压信号时，调高PWM信号的电压值，直至检测到输出信号的电压值跳变；或者，当根据输出信号的电压值确定PWM信号的电压值高于电池电压信号时，调低PWM信号的电压值，直至检测到输出信号的电压值跳变。
具体来说，当检测到输出信号的电压值为第一值时，调高PWM信号的电压值，并再次输出至比较器，直至检测到输出信号的电压值跳变为第二值，第一值大于第二值；当检测到输出信号的电压值由第一值跳变为第二值时，根据输出信号电压值的跳变时刻以及PWM信号的电压值计算电池电压信号的电压值。
进一步地，上述根据PWM信号的电压值计算电池电压信号的电压值的步骤还可以包括：获取上一时刻的PWM信号的电压值；根据上一时刻的PWM信号的电压值计算电池电压信号的电压值。
这里需要指出的是，以上方法实施例的描述，与上述装置实施例的描述是类似的，具有同装置实施例相似的有益效果。对于本发明方法实施例中未披露的技术细节，请参照本发明装置实施例的描述而理解。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种信息安全设备，图6为本发明实施例中的信息安全设备的结构示意图，参见图6所示，该信息安全设备600可以包括：电池601和如上述一个或者多个实施例所述的电池电压检测装置602；其中，电池电压检测装置602，用于检测电池601的电压值。
这里需要指出的是，以上信息安全设备实施例的描述，与上述装置实施例的描述是类似的，具有同装置实施例相似的有益效果。对于本发明信息安全设备实施例中未披露的技术细节，请参照本发明装置实施例的描述而理解。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述一个或者多个实施例中任一项所述的电池电压检测方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、终端(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端上，使得在计算机或其他可编程终端上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种电池电压检测装置，其特征在于，包括：微处理器以及比较器；所述微处理器包括第一输入/输出端口以及第二输入/输出端口；其中，
所述微处理器，用于生成脉冲宽度调制PWM信号，并将所述PWM信号由所述第一输入/输出端口输出至所述比较器；
所述比较器，用于接收电池电压信号；比较所述PWM信号的电压值和所述电池电压信号的电压值，以及根据比较结果生成输出信号，所述输出信号由所述第二输入/输出端口输入所述微处理器；
所述微处理器，还用于根据所述输出信号的电压值调整所述PWM信号的电压值，直至检测到所述输出信号的电压值发生跳变；根据所述输出信号电压值的跳变时刻以及所述PWM信号的电压值，确定所述电池电压信号的电压值；
所述微处理器，还用于当检测到所述输出信号的电压值发生跳变时，获取上一时刻的PWM信号的电压值；根据所述上一时刻的PWM信号的电压值计算所述电池电压信号的电压值。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微处理器，用于当根据所述输出信号的电压值确定所述PWM信号的电压值低于所述电池电压信号时，调高所述PWM信号的电压值，直至检测到所述输出信号的电压值发生跳变；还用于当根据所述输出信号的电压值确定所述PWM信号的电压值高于所述电池电压信号时，调低所述PWM信号的电压值，直至检测到所述输出信号的电压值发生跳变。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微处理器，包括：用于生成所述PWM信号的定时器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述比较器具有正相输入端和反相输入端；所述比较器，用于由所述正相输入端接收所述电池电压信号，并由所述反相输入端接收所述PWM信号；还用于当所述PWM信号的电压值低于所述电池电压信号的电压值时，生成电压值为第一值的输出信号，当所述PWM信号的电压值不低于所述电池电压信号的电压值，生成电压值为第二值的输出信号，所述第一值大于所述第二值。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：分压电路；所述分压电路，用于对所述电池进行分压，生成分压信号，并将所述分压信号作为所述电池电压信号输入所述比较器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述分压电路至少包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻串联，所述第一分压电阻与第二分压电阻的连接端与所述比较器的正相输入端连接，所述分压信号作为所述电池电压信号由所述连接端输入所述正相输入端。
7.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：RC滤波电路，用于对接收由所述第一输入/输出端口输出的PWM信号，对所述PWM信号进行滤波，并将滤波后的PWM信号输入所述比较器的反相输入端。
8.一种电池电压检测方法，其特征在于，所述方法包括：
生成PWM信号，并将所述PWM信号通过第一输入/输出端口输出至比较器；
通过第二输入/输出端口接收所述比较器输出的输出信号，所述输出信号为所述比较器通过比较电池电压信号的电压值和所述PWM信号的电压值获得的；
根据所述输出信号的电压值调整所述PWM信号的电压值，直至检测到所述输出信号的电压值发生跳变；
根据所述输出信号电压值的跳变时刻以及所述PWM信号的电压值，确定所述电池电压信号的电压值；
根据所述输出信号电压值的跳变时刻以及所述PWM信号的电压值，确定所述电池电压信号的电压值，包括：
当检测到所述输出信号的电压值发生跳变时，获取上一时刻的PWM信号的电压值；根据所述上一时刻的PWM信号的电压值计算所述电池电压信号的电压值。
9.一种信息安全设备，其特征在于，包括：电池和如权利要求1至7任一项所述的电池电压检测装置；所述电池电压检测装置，用于检测所述电池的电压值。
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