對于電池供電設(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)期間估計消耗的電量，以及如何使用OneWireViewer將電池的“電量監(jiān)測”數(shù)據(jù)保存到記錄存儲器中。

動機 - 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。對手機可充電電池進行監(jiān)測已成為一個標準需求。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)備運行時，隨著時間的流逝，電池能量會以自放電(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，可參考電池數(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。

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

 
數(shù)學(xué)背景

        任務(wù)設(shè)定以后，溫度記錄器記錄任務(wù)的開始時間，并設(shè)置控制采樣間隔的內(nèi)部定時器。到達采樣間隔時，開始溫度轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)存儲器中。間隔計時器自動設(shè)置下個采樣間隔，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：

        對于工作期間的所有采樣以及每個采樣間隔，獲取記錄的溫度值，并且：

        觀察該溫度下的直流負載電流，并乘以采樣間隔時間(圖2)。這是RTC和自放電消耗的能量(直流負載)。
        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載

圖3. 采樣時的電量

         如圖2上部所示，假設(shè)采樣之間直流負載恒定。從數(shù)學(xué)上來說該方法等同于估算右側(cè)長方形(高度取決于每個子區(qū)間的右端點)的積分/面積。還有其他積分方式，例如用兩個采樣點的均值(中點)估算、梯形或Simpson算法，這些算法會提供更加準確的結(jié)果1。如果在一個恒溫設(shè)置點附近溫度循環(huán)，長方形導(dǎo)致的正負誤差平均值接近零。所以，針對此類應(yīng)用，這種簡單的方法比較合理。

        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)的時間以及可用來記錄數(shù)據(jù)的存儲器。采樣間隔較短時，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)測對象的溫度變化聯(lián)系起來。例如，如果在1小時之內(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)文件實現(xiàn)。該電子表格有兩個查找表，一個用于DS1922L/DS1923，另一個用于DS1922T。電子表格還有兩個計算標簽。圖4為DS1922L/DS1923的計算標簽圖。用戶在黃色區(qū)域輸入數(shù)據(jù)，在藍綠色區(qū)域顯示結(jié)果。未被標為高亮度的區(qū)域是圖標(采樣號)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。進行11位溫度轉(zhuǎn)換時，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的計算標簽與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標簽上的Disable Mission按鈕結(jié)束任務(wù)。

點擊瀏覽器Device Data標簽中的Temperature，顯示記錄的溫度數(shù)據(jù)曲線。

光標放在該曲線上，點擊鼠標右鍵。 選擇“Copy Data to Clipboard without Labels”，并點擊鼠標左鍵。

打開Gas Gauge Spreadsheet中相應(yīng)的計算標簽。

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

點擊瀏覽器Device Data標簽中的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，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，Remaining Charge中的值才有效。對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器中，完成這一功能最簡單的方法是利用OneWireViewer的File Viewer。在第一個任務(wù)生成一個文件(如CHRG.0)后，ASCII標簽中鍵入諸如“電池充電47.975mAh”的字樣，后面還顯示有日期代碼，將文件寫入存儲器。這一過程中，數(shù)據(jù)隨記錄器移動并可用來計算下一次及其隨后的每個任務(wù)的剩余電量。注：對于DS1922L和DS1923，在所有溫度和采樣率條件下，計算出的總電量與數(shù)據(jù)資料中的壽命曲線一致，誤差在1%之內(nèi)。對于DS1922T，采樣間隔大于等于1分鐘，溫度大于等于+50°C時誤差小于2%。當采樣間隔小于1分鐘，且溫度低于+50°C時，估算的誤差可達10%，比DS1922T數(shù)據(jù)資料中的壽命曲線更準確。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

         通過相當簡單的數(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)計理念提供了可行性，可以很容易地集成在一個自動化數(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)對記錄器加以充分利用，從而降低溫度監(jiān)測的總成本。

參考文獻:

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