CN113640681A - 一种电池供电装置过程电压检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电池电压检测技术领域，具体涉及一种电池供电装置过程电压检测电路，包括相互电性连接的场效应管、三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、电容以及供电电压；一种电池供电装置过程电压检测方法，MCU模块持续输出高电平，采样模块对待测电池供电装置两端的电压进行采样，采样模块采集的数据依次输入到ADC模块、DMA模块，最终由存储器进行存储，MCU模块读取存储器内的检测数据，并判断是否满足对应电压检测工作模式的切换条件，以启动对应电压检测工作模式，对应工作模式运行结束后，MCU模块输出低电平，电压检测电路关闭，最终MCU模块输出检测结果；本发明具有检测准确、能耗低的优点。

Description

一种电池供电装置过程电压检测电路及方法

技术领域

本发明属于电池电压检测技术领域，具体涉及一种电池供电装置过程电压检测电路及方法。

背景技术

智能仪表的射频系统采用锂亚电池供电，当射频系统处于射频发射、开阀、关阀等工作状态时，相当于重负载，电流较大，有时可以达到500mA，此时锂亚电池两端的电压会严重下降。由于电池两端的电压下降会影响电池的使用寿命，因此需要对射频系统处于射频发射、开阀、关阀等工作过程中电池两端的电压状态进行检测，从而能够准确评估电池和仪表的使用期限。

目前，用于对电池两端的电压状态进行检测的电路多种多样，然而目前这些电压检测电路中的电压检测都需要MCU模块的参与，由于MCU模块承载着庞大的数据处理工作，MCU模块一方面参与电压的检测，一方面参与数据的处理，MCU模块同步参与两个过程，会增加MCU模块的能耗，并且影响电压检测结果的准确性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种电压检测准确性高、功耗低、有效延长电池使用寿命的电池供电装置过程电压检测电路及方法。

本发明的技术方案如下：

一种电池供电装置过程电压检测电路，包括场效应管、三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、电容以及供电电压；

所述场效应管的栅极与三极管的集电极相连，所述场效应管的漏极与待测电池供电装置的阳极输出端相连，场效应管的源极连接由第一电阻与第二电阻串联构成的分压采样模块，所述分压采样模块的输出端连接于待检测电池供电装置相连的射频系统中的ADC模块以及三极管的基极；

所述三极管的基极通过第五电阻连接与所述待测电池供电装置相连的射频系统中的MCU模块相连，三极管的集电极通过第三电阻接入供电电压，三极管的发射极接地；

所述第四电阻连接在三极管的基极与发射极之间；

所述电容并联于第二电阻的两端，并且第二电阻的非与第一电阻连接端连接三极管的发射极。

作为优选的，所述射频系统包括单片机、提示模块以及射频发射模块，所述单片机包括MCU模块、ADC模块、DMA模块、存储器，所述ADC模块与DMA模块相连，所述DMA模块与存储器单向连接，所述DMA模块与MCU模块双向连接，所述存储器与MCU模块单向连接，所述MCU模块还与提示模块以及射频发射模块相连。

一种电池供电装置过程电压检测方法，利用前述的电池供电装置过程电压检测电路进行电压检测，具体方法如下：

S1、对射频系统中的DMA模块和ADC模块进行初始化；

S2、MCU模块持续输出高电平时间t₁后切换为高阻态模式，电池供电装置过程电压检测电路开启，对待检测电池供电装置两端的电压进行采样，并输入到ADC模块，在DMA的参与下将采样数据存储到存储器中；

S3、经过时间t₂后，MCU模块读取存储器中的采样数据，并根据采样数据判断是否满足对应电压检测工作模式的切换条件；

S4、根据步骤S3的判断结果，若满足切换条件，则MCU模块控制启动对应电压检测工作模式；否则，返回步骤S3重新读取存储器中新存储的采样数据，判断是否满足切换条件，若依旧不满足，则MCU模块控制提示模块提示电压检测电路异常，并停止后续的电压检测过程；

S5、对应电压检测工作模式运行结束并经过时间t₃延时后，MCU模块输出低电平，电池供电装置过程电压检测电路关闭；

S6、MCU模块从存储器中读取所有的采样数据，对采样数据进行处理，并得到该电压检测工作模式对应的电压最大值、电压最小值以及电压检测图。

进一步，所述步骤S1中，所述初始化内容包括：设置存储器存储地址为递增模式，设置ADC模块和DMA模块时钟以及DMA模块使能，设置16-bit模式，设置数据传输数目。

进一步，所述步骤S3中，定义判定是否满足切换条件的采样数据的最小个数、采样频率、采样延迟时间分别为N、f₀、t₀，则时间t₂的大小为：t₂＞t₀+N/f₀。

进一步，所述步骤S3中，根据采样数据判断是否满足对应电压检测工作模式的切换条件的具体过程如下：

S31、判断当前采样数据的实际数目n是否不小于最小个数N，若小于，则说明采样异常，检测电路不工作、采样过程设置错误或者采样精度不满足要求，此时直接判定不满足切换条件；若不小于，则从n个采样数据中选取最后N个作为预处理采样样本；

S32、根据步骤S31的判断结果，计算后N个预处理采样样本中相邻两个样本之间的差值，并将每个差值的绝对值与差值阈值进行比较；

S33、若步骤S32中的所有差值的绝对值均小于差值阈值，则判定满足切换条件，否则判定不满足切换条件。

进一步，所述步骤S4中，所述电压检测工作模式分为射频发射、开阀、关阀三种。

进一步，所述步骤S6中，MCU模块对采样数据进行处理的具体过程如下：

S61、从最终获取的采样数据中删除MCU模块从存储器中首次读取的n个采样数据，得到电压检测工作模式整个过程中的电压采样值；

S62、根据得到的所有电压采样值，构造电压采样点(t_i，u_i)，其中u_i表示第i个电压采样值，t_i＝i/f₀，表示第i个电压采样值对应的时间值，f₀为电池供电装置过程电压检测电路的采样频率；

S63、在构造的电压采样点中，获取所有的电压极值点，包括极大值点和极小值点；

S64、利用取值窗口对每个电压极值点前后的电压采样值进行取值，在取值时，保证极值点位于取值窗口的中心位置。这样，通过取值处理，在每个取值窗口内包括一个对应的极值点以及该极值点附近的多个电压采样点；

S65、对每个取值窗口内的所有电压采样值进行l轮次扩充处理；

S66、根据扩充后获取的所有电压采样点，进行曲线拟合，从拟合曲线中确定电压最大值和电压最小值，从而得到电压检测图，该电压检测图中包括电压检测工作模式，电压检测曲线即拟合的曲线，电压检测曲线的最大值和最小值。

进一步，所述步骤S65中，扩充处理的具体过程如下：

S651、对每个取值窗口对应的任意电压采样点(t_i，u_i)、(t_i+1，u_i+1)、(t_i+2，u_i+2)，计算：

t_i，i+1＝0.5t_i+0.5t_i+1，t_i+1，i+2＝0.5t_i+1+0.5t_i+2；

S652、对经过步骤S651的扩充处理后的每个取值窗口内的所有电压采样点按照时间值的大小进行排序，并重复上述步骤，直到完成l轮次扩充。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的电池供电装置过程电压检测电路，有ADC模块、DMA模块与存储器相互配合实现电压检测，无需MCU模块的参与，MCU模块只需参与电压检测工作模式的切换，从而使得电压检测与模式切换的两个过程相互独立，互不干扰；并且电池供电装置过程电压检测电路结构简单，对待检测电池供电装置两端的电压几乎无影响，从而有效保证电压检测的准确性；

2、本发明提供的利用该电池供电装置过程电压检测电路进行电压检测的方法，实现了大电流操作的同时，进行供电电源电压检测，进而能够实现射频系统整个完整工作过程中的电压精准检测，并能够实现宽电压输入时的电压检测，同时具有低功耗的特性，不会因电压检测造成过多的额外电流，有效延长电池的寿命。

附图说明

图1为本发明的电压检测电路原理图。

图2为本发明电压检测方法的流程图。

其中，Q1、场效应管，Q2、三极管，R1、第一电阻，R2、第二电阻，R3、第三电阻，R4、第四电阻，C1、电容，VCC、供电电压。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1所示，一种电池供电装置过程电压检测电路，包括场效应管Q1、三极管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻0R3、第四电阻R4、第五电阻R5、电容C1以及供电电压VCC；

所述场效应管Q1的栅极与三极管0Q2的集电极相连，所述场效应管Q1的漏极与待测电池供电装置的阳极输出端相连，场效应管Q1的源极连接由第一电阻R1与第二电阻R2串联构成的分压采样模块，所述分压采样模块的输出端连接于待检测电池供电装置相连的射频系统中的ADC模块以及三极管Q2的基极；

所述三极管Q2的基极通过第五电阻R5连接与所述待测电池供电装置相连的射频系统中的MCU模块相连，三极管Q2的集电极通过第三电阻R3接入供电电压VCC，三极管Q2的发射极接地；

所述第四电阻R4连接在三极管Q2的基极与发射极之间；

所述电容C1并联于第二电阻R2的两端，并且第二电阻R2的非与第一电阻R1连接端连接三极管Q2的发射极。

所述射频系统包括单片机、提示模块以及射频发射模块，所述单片机包括MCU模块、ADC模块、DMA模块、存储器，所述ADC模块与DMA模块相连，所述DMA模块与存储器单向连接，所述DMA模块与MCU模块双向连接，所述存储器与MCU模块单向连接，所述MCU模块还与提示模块以及射频发射模块相连。

本发明提供的电池供电装置过程电压检测电路的工作原理如下：

MCU模块输出高电平，三极管Q2导通，进而场效应管Q1导通；场效应管Q1导通后，第二电阻R2两端的电压维持三极管Q2的基极电压，从而使场效应管Q1持续导通；同时，第一电阻R1和第二电阻R2构成的分压采样模块对待检测电池供电装置两端的电压进行采样，并输入到ADC模块中，ADC模块对采样数据进行模-数转换，并将转换后的数据发送给DMA模块，DMA模块将接收到的数据转存到存储器中；

在每次电压检测过程中，MCU模块输出高电平的时间为t₁，t₁根据三极管Q2和场效应管Q1导通并维持所需的最大时间来确定；超过时间t₁后，MCU模块会相应切换到高阻态；后续，MCU模块参与到射频发射、开阀、关阀等工作模式过程中，而电池供电装置过程电压检测电路仅需要与ADC模块、DMA模块和存储器配合来实现电压检测过程，电压检测与工作模式切换是两个相互独立的过程，互不干扰；并且，由于电池供电装置过程电压检测电路结构简单，对待检测电池供电装置两端的电压几乎无影响，从而保证了电压检测的准确性。

如图2所示，一种电池供电装置过程电压检测方法，利用前述的电池供电装置过程电压检测电路进行电压检测，具体方法如下：

S1、对射频系统中的DMA模块和ADC模块进行初始化；

S2、MCU模块持续输出高电平时间t₁后切换为高阻态模式，电池供电装置过程电压检测电路开启，对待检测电池供电装置两端的电压进行采样，并输入到ADC模块，在DMA的参与下将采样数据存储到存储器中；

S3、经过时间t₂后，MCU模块读取存储器中的采样数据，并根据采样数据判断是否满足对应电压检测工作模式的切换条件；

S4、根据步骤S3的判断结果，若满足切换条件，则MCU模块控制启动对应电压检测工作模式；否则，返回步骤S3重新读取存储器中新存储的采样数据，判断是否满足切换条件，若依旧不满足，则MCU模块控制提示模块提示电压检测电路异常，并停止后续的电压检测过程；

S5、对应电压检测工作模式运行结束并经过时间t₃延时后，MCU模块输出低电平，电池供电装置过程电压检测电路关闭；

S6、MCU模块从存储器中读取所有的采样数据，对采样数据进行处理，并得到该电压检测工作模式对应的电压最大值、电压最小值以及电压检测图。

进一步，所述步骤S1中，所述初始化内容包括：设置存储器存储地址为递增模式，设置ADC模块和DMA模块时钟以及DMA模块使能，设置16-bit模式，设置数据传输数目。

进一步，所述步骤S3中，定义判定是否满足切换条件的采样数据的最小个数、采样频率、采样延迟时间分别为N、f₀、t₀，则时间t₂的大小为：t₂＞t₀+N/f₀。

进一步，所述步骤S3中，根据采样数据判断是否满足对应电压检测工作模式的切换条件的具体过程如下：

S31、判断当前采样数据的实际数目n是否不小于最小个数N，若小于，则说明采样异常，检测电路不工作、采样过程设置错误或者采样精度不满足要求，此时直接判定不满足切换条件；若不小于，则从n个采样数据中选取最后N个作为预处理采样样本；

S32、根据步骤S31的判断结果，计算后N个预处理采样样本中相邻两个样本之间的差值，并将每个差值的绝对值与差值阈值进行比较；

S33、若步骤S32中的所有差值的绝对值均小于差值阈值，则判定满足切换条件，否则判定不满足切换条件。

进一步，所述步骤S4中，所述电压检测工作模式分为射频发射、开阀、关阀三种。

进一步，所述步骤S6中，MCU模块对采样数据进行处理的具体过程如下：

S61、从最终获取的采样数据中删除MCU模块从存储器中首次读取的n个采样数据，得到电压检测工作模式整个过程中的电压采样值；

S62、根据得到的所有电压采样值，构造电压采样点(t_i，u_i)，其中u_i表示第i个电压采样值，t_i＝i/f₀，表示第i个电压采样值对应的时间值，f₀为电池供电装置过程电压检测电路的采样频率；

S63、在构造的电压采样点中，获取所有的电压极值点，包括极大值点和极小值点；

S64、利用取值窗口对每个电压极值点前后的电压采样值进行取值，在取值时，保证极值点位于取值窗口的中心位置。这样，通过取值处理，在每个取值窗口内包括一个对应的极值点以及该极值点附近的多个电压采样点；

S65、对每个取值窗口内的所有电压采样值进行l轮次扩充处理；

S66、根据扩充后获取的所有电压采样点，进行曲线拟合，从拟合曲线中确定电压最大值和电压最小值，从而得到电压检测图，该电压检测图中包括电压检测工作模式，电压检测曲线即拟合的曲线，电压检测曲线的最大值和最小值。

进一步，所述步骤S65中，扩充处理的具体过程如下：

S651、对每个取值窗口对应的任意电压采样点(t_i，u_i)、(t_i+1，u_i+1)、(t_i+2，u_i+2)，计算：

t_i，i+1＝0.5t_i+0.5t_i+1，t_i+1，i+2＝0.5t_i+1+0.5t_i+2；

S652、对经过步骤S651的扩充处理后的每个取值窗口内的所有电压采样点按照时间值的大小进行排序，并重复上述步骤，直到完成l轮次扩充。

本发明提供的电池供电装置过程电压检测方法中：

步骤S3中，设置时间t₂的目的是保证证存储器中可以存储足够数目的采样数据，以根据采样数据的数目以及大小情况来判断是否满足切换条件；通过步骤S3，在启动对应电压检测工作模式之前，先对电池供电装置过程电压检测电路的工作状态进行诊断，若工作状态正常，即满足切换条件，才启动对应电压检测工作模式，否则不启动对应电压检测工作模式，以避免对应电压检测工作模式启动后，最后却得不到电压检测值或者得到的电压检测值不准的情况；

步骤S4中，在射频发射、开阀、关阀三种工作模式下，电池供电装置过程电压检测电路、ADC模块、DMA模块和存储器协同工作，将该工作模式整个运行过程中待检测电池供电装置两端的电压采样值存储起来，而无需MCU的参与，从而有效保证保证了电压测量的准确性；

步骤S5中，在电压检测工作模式运行结束后，需要设置ADC模块和DMA模块时钟以及DMA模块禁用，以为下次测量做好准备；并且，该禁用设置过程需要在时间t₃延时内完成，从而保证电压检测工作模式开启结束后一段时间的电压检测数据可以采集到；其中时间t₃可根据使用情况进行设定；

步骤S61中，MCU模块从存储器中首次读取的n个采样数据属于电压检测工作模式还未开启前所采集到的电压值，而在MCU模块根据这n个采样数据对电池供电装置过程电压检测电路的工作状态进行诊断的过程中，采样过程依旧在进行；因此，在删除这n个采样数据以降低数据处理的复杂对的同时，依旧可以保证最终得到的电压检测工作模式整个过程中的电压采样值包括：电压检测工作模式实际开启前一段时间的电压采样数据、实际工作过程中的电压采样数据以及实际关闭后一段时间的电压采样数据；

步骤S65中，通过对每个窗口内的电压采样点进行l轮次扩充处理，可以避免由于采样不连续，导致待检测电池供电装置的实际最值电压(最大电压、最小电压)出现在两个电压采样值中间，导致最终检测出来的最值电压还是不够精确的问题。而由于最值电压只可能出现在各个极值点附近，所以仅需要对各个极值点附近的电压采样值进行扩充处理，以在提高精确度的同时降低计算量。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电池供电装置过程电压检测电路，包括场效应管(Q1)、三极管(Q2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(0R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、电容(C1)以及供电电压(VCC)；其特征在于：

所述场效应管(Q1)的栅极与三极管(0Q2)的集电极相连，所述场效应管(Q1)的漏极与待测电池供电装置的阳极输出端相连，场效应管(Q1)的源极连接由第一电阻(R1)与第二电阻(R2)串联构成的分压采样模块，所述分压采样模块的输出端连接于待检测电池供电装置相连的射频系统中的ADC模块以及三极管(Q2)的基极；

所述三极管(Q2)的基极通过第五电阻(R5)连接与所述待测电池供电装置相连的射频系统中的MCU模块相连，三极管(Q2)的集电极通过第三电阻(R3)接入供电电压(VCC)，三极管(Q2)的发射极接地；

所述第四电阻(R4)连接在三极管(Q2)的基极与发射极之间；

所述电容(C1)并联于第二电阻(R2)的两端，并且第二电阻(R2)的非与第一电阻(R1)连接端连接三极管(Q2)的发射极。

2.根据权利要求1所述的电池供电装置过程电压检测电路，其特征在于：所述射频系统包括单片机、提示模块以及射频发射模块，所述单片机包括MCU模块、ADC模块、DMA模块、存储器，所述ADC模块与DMA模块相连，所述DMA模块与存储器单向连接，所述DMA模块与MCU模块双向连接，所述存储器与MCU模块单向连接，所述MCU模块还与提示模块以及射频发射模块相连。

3.一种电池供电装置过程电压检测方法，其特征在于：利用权利要求1或2所述的电池供电装置过程电压检测电路进行电压检测，具体方法如下：

S1、对射频系统中的DMA模块和ADC模块进行初始化；

S2、MCU模块持续输出高电平时间t₁后切换为高阻态模式，电池供电装置过程电压检测电路开启，对待检测电池供电装置两端的电压进行采样，并输入到ADC模块，在DMA的参与下将采样数据存储到存储器中；

S3、经过时间t₂后，MCU模块读取存储器中的采样数据，并根据采样数据判断是否满足对应电压检测工作模式的切换条件；

S4、根据步骤S3的判断结果，若满足切换条件，则MCU模块控制启动对应电压检测工作模式；否则，返回步骤S3重新读取存储器中新存储的采样数据，判断是否满足切换条件，若依旧不满足，则MCU模块控制提示模块提示电压检测电路异常，并停止后续的电压检测过程；

S5、对应电压检测工作模式运行结束并经过时间t₃延时后，MCU模块输出低电平，电池供电装置过程电压检测电路关闭；

S6、MCU模块从存储器中读取所有的采样数据，对采样数据进行处理，并得到该电压检测工作模式对应的电压最大值、电压最小值以及电压检测图。

4.根据权利要求3所述的电池供电装置过程电压检测方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述初始化内容包括：设置存储器存储地址为递增模式，设置ADC模块和DMA模块时钟以及DMA模块使能，设置16-bit模式，设置数据传输数目。

5.根据权利要求3所述的电池供电装置过程电压检测方法，其特征在于：所述步骤S3中，定义判定是否满足切换条件的采样数据的最小个数、采样频率、采样延迟时间分别为N、f₀、t₀，则时间t₂的大小为：t₂＞t₀+N/f₀。

6.根据权利要求5所述的电池供电装置过程电压检测方法，其特征在于：所述步骤S3中，根据采样数据判断是否满足对应电压检测工作模式的切换条件的具体过程如下：

S31、判断当前采样数据的实际数目n是否不小于最小个数N，若小于，则说明采样异常，检测电路不工作、采样过程设置错误或者采样精度不满足要求，此时直接判定不满足切换条件；若不小于，则从n个采样数据中选取最后N个作为预处理采样样本；

S32、根据步骤S31的判断结果，计算后N个预处理采样样本中相邻两个样本之间的差值，并将每个差值的绝对值与差值阈值进行比较；

S33、若步骤S32中的所有差值的绝对值均小于差值阈值，则判定满足切换条件，否则判定不满足切换条件。

7.根据权利要求3所述的电池供电装置过程电压检测方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述电压检测工作模式分为射频发射、开阀、关阀三种。

8.根据权利要求3所述的电池供电装置过程电压检测方法，其特征在于：所述步骤S6中，MCU模块对采样数据进行处理的具体过程如下：

S61、从最终获取的采样数据中删除MCU模块从存储器中首次读取的n个采样数据，得到电压检测工作模式整个过程中的电压采样值；

S62、根据得到的所有电压采样值，构造电压采样点(t_i，u_i)，其中u_i表示第i个电压采样值，t_i＝i/f₀，表示第i个电压采样值对应的时间值，f₀为电池供电装置过程电压检测电路的采样频率；

S63、在构造的电压采样点中，获取所有的电压极值点，包括极大值点和极小值点；

S64、利用取值窗口对每个电压极值点前后的电压采样值进行取值，在取值时，保证极值点位于取值窗口的中心位置。这样，通过取值处理，在每个取值窗口内包括一个对应的极值点以及该极值点附近的多个电压采样点；

S65、对每个取值窗口内的所有电压采样值进行l轮次扩充处理；

S66、根据扩充后获取的所有电压采样点，进行曲线拟合，从拟合曲线中确定电压最大值和电压最小值，从而得到电压检测图，该电压检测图中包括电压检测工作模式，电压检测曲线即拟合的曲线，电压检测曲线的最大值和最小值。

9.根据权利要求8所述的水力破除高铁底座板方法，其特征在于：所述步骤S65中，扩充处理的具体过程如下：

S651、对每个取值窗口对应的任意电压采样点(t_i，u_i)、(t_i+1，u_i+1)、(t_i+2，u_i+2)，计算：

t_i，i+1＝0.5t_i+0.5t_i+1，t_i+1，i+2＝0.5t_i+1+0.5t_i+2；

S652、对经过步骤S651的扩充处理后的每个取值窗口内的所有电压采样点按照时间值的大小进行排序，并重复上述步骤，直到完成l轮次扩充。

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