ADC电量检测与校准

ADC电量检测方案

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1. 需求概述

1.1 目的

• 提高ADC采样的准确性，消除板级差异。

1.2 背景

• 实现采集的电压信息准确，覆盖电池容量0~100。
• 在进入充电或退出充电时，消除跳跃大的电量跳变。
• 保证各样品之间的一致性，消除板级间差异。

1.3 定义

• kR：Adc分压网络的电阻系数比
• kV：Adc参考电压与精度的系数比
• k：分压网络电阻系数与adc参考电压的乘积

1.4 参考资料

2. 问题分析

2.1 采样原理

kR = 1 + R21 / R20

已知R21 = 2.2M，R20 = 1.5M，计算理论值 kR = 2.467。

Vbat = kR * Vdet

考虑R21和R20存在1%误差，则：

kRmax = 1 + (1.01*R21) / (0.99*R20) = 1.012kR

kRmin = 1 + (0.99*R21) / (1.01*R20) = 0.988kR

假设adc的基准电压为Vref，精度为Prec，adc采集到的adc数值为AdcValue，则：

kV = Vref /Prec

Vdec = kV * AdcValue

Vbat = kR * kV * AdcValue

仅考虑采样电阻的偏差

VbatMax = 1.012Vbat;

VbatMin = 0.988Vbat;

2.2 误差影响

如下表，为某型号电池电压与电量的对应关系

电压	电量	电压	电量	电压	电量	电压	电量	电压	电量
3.001	0	3.219	1	3.333	2	3.416	3	3.474	4
3.517	5	3.547	6	3.572	7	3.587	8	3.599	9
3.608	10	3.616	11	3.622	12	3.628	13	3.634	14
3.643	15	3.648	16	3.655	17	3.660	18	3.665	19
3.669	20	3.674	21	3.678	22	3.682	23	3.686	24
3.690	25	3.693	26	3.695	27	3.698	28	3.701	29
3.704	30	3.707	31	3.709	32	3.712	33	3.714	34
3.717	35	3.719	36	3.721	37	3.725	38	3.728	39
3.730	40	3.733	41	3.736	42	3.739	43	3.743	44
3.746	45	3.749	46	3.753	47	3.757	48	3.761	49
3.765	50	3.770	51	3.774	52	3.779	53	3.783	54
3.787	55	3.792	56	3.797	57	3.802	58	3.808	59
3.813	60	3.818	61	3.824	62	3.830	63	3.836	64
3.842	65	3.848	66	3.855	67	3.861	68	3.868	69
3.874	70	3.881	71	3.889	72	3.897	73	3.904	74
3.912	75	3.919	76	3.927	77	3.934	78	3.943	79
3.952	80	3.960	81	3.968	82	3.978	83	3.988	84
3.997	85	4.007	86	4.017	87	4.027	88	4.036	89
4.045	90	4.055	91	4.064	92	4.074	93	4.084	94
4.095	95	4.105	96	4.116	97	4.128	98	4.141	99

如下图，为该型号的电池曲线

从图中可看出，当电量在30%附近时变化最缓慢，取实际电池电压为3.7V时

VbatMax = 1.012Vbat = 1.012 * 3.7 = 3.7444V;

VbatMin = 0.988Vbat = 0.988 * 3.7 = 3.6556V;

VbatMax - VbatMin = 3.744 - 3.6556 = 0.0888V = 88.8mV;

因此不理想的状态下，板级偏差可达88.8mv，此时分别对应的百分比是44%和14%，同一块电池在这两类情况下测量的电量相差达到30%。

3. 方案设计

3.1 校准原理

因为板级之间存在差异，需要校准kA * kV的系数乘积，又

Vbat = kR * kV * AdcValue = kR * Vref / Prec * AdcValue

从上述公式中可知，Adc的精度Prec是固定的，kR * Vref是造成差异性的原因，令

k = kR * Vref

则有

Vbat = k * AdcValue / Prec

在此方案中，因此给定已知的Vbat，则根据采样的adc数值可推出系数k。

3.2 校准接口

读取校准系数

/**
 * @fn Bool ReadAdcCoefficient(DWord *pdwCalibMark, float *pfCoefficient)
 * @brief Read the calibration mark and calibration coefficient of ADC
 * @details If the reading fails, the contents of the passed-in parameters will not be modified
 * @param[in] pdwCalibMark is Memory address of calibration mark
 * @param[in] pfCoefficient is Memory address of calibration coefficient
 * @return TRUE if read successfully, FALSE if not
 * @note None
 * @attention The valid byte of Flash read by this function is 8 lengths
 */
static Bool ReadAdcCoefficient(DWord *pdwCalibMark, float *pfCoefficient)
{
    Bool bRet = TRUE;
    UDat4Byte UDat;
    STFlashPage stFlashPage = {0u};

    //读取Flash的某一页内容 一共64字节
    bRet = FlashReadPage(&stFlashPage, FLASH_PAGE_MIN_NUM);

    //读取成功且长度正确 将读取的校准标记和校准系数进行替换
    if((bRet == TRUE) && (stFlashPage.wLen == 8u))
    {
        *pdwCalibMark = stFlashPage.adwDat[0u];
        UDat.dwDat = stFlashPage.adwDat[1u];
        *pfCoefficient = UDat.fDat;
    }
    //读取失败 保留之前的采样系数
    else
    {
        bRet = FALSE;
    }

    return bRet;
}

写入校准系数

/**
 * @fn Bool WriteAdcCoefficient(Word wAdcCalibValue, float fCalibBatVol)
 * @brief The calibration coefficient is calculated and stored by the incoming adc
 * and the expected voltage value
 * @details If the calculated coefficient is unreasonable, it will not be stored
 * @param[in] wAdcCalibValue: Adc value for calibration
 * @param[in] fCalibBatVol: Voltage for calibration
 * @return Returns TRUE if writing is successful, otherwise returns FALSE
 * @note None
 * @attention The reasonable interval range is adjusted according to the demand
 */
static Bool WriteAdcCoefficient(Word wAdcCalibValue, float fCalibBatVol)
{
    Bool bRet = TRUE;
    UDat4Byte UDat;
    STFlashPage stFlashPage = {0u};

    //通过传入校准的采样值和预期电压值计算校准系数
    UDat.fDat = fCalibBatVol / wAdcCalibValue * ADC_PRECISION;

    //系数在合理范围内
    if((UDat.fDat >= ADC_MIN_COEFFICIENT) && (UDat.fDat <= ADC_MAX_COEFFICIENT))
    {
        stFlashPage.adwDat[0u] = ADC_CALIBRATION_MARK;
        stFlashPage.adwDat[1u] = UDat.dwDat;
        stFlashPage.wLen = 8u;
        bRet = FlashWritePage(&stFlashPage, FLASH_PAGE_MIN_NUM);
    }
    else
    {
        bRet = FALSE;
    }

    return bRet;
}

3.3 上电校准方案

上电给定稳定的校准电源，校准方法如下：

上电读取Flash判断是否已校准？

是：通过给定的输入电压进行校准系数k，将系数k存储到Flash，并标记校准完成；
否：读取校准系数k。

    //读取校准系数
    ReadAdcCoefficient(&g_dwAdcCalibMark, &g_fAdcKRVCoefficient);
    if(g_dwAdcCalibMark != ADC_CALIBRATION_MARK)
    {
        //没有校准过 进入出厂校准模式
        if(WriteAdcCoefficient(ADC_GetSmpleValue(ADC_CHANNEL1, 5u), ADC_FACTORY_CALIB_BAT))
        {
            ReadAdcCoefficient(&g_dwAdcCalibMark, &g_fAdcKRVCoefficient);
        }
    }

优点：

• 校准一次即可。

缺点：

• 依赖给定的校准电压，与生产流程息息相关，给定校准电压的一致性决定了系数的可靠性。

3.4 满电校准方案

重新上电时使用默认校准系数k，不需要校准源，满电时自校准，校准方法如下：

每次采样过程中判断是否在充电状态

1. 是

• 存储充电过程中采集的最大adcValue值；
• 如果检测到电压满电，通过已知的满电电压和最大的adcValue值校准系数k；
• 如果新的校准系数k在合理范围内，则存储校准系数k到内部Flash中。

2. 否

1. 存储充电过程中采集的最大adcValue值。

    //从非充满到充满状态时  写入新的采样系数
    if((bIsChgFull == ENABLE) && (g_bChargFull != ENABLE))
    {
        byBatPercent = CHARGED_FULL_BAT;
        //新的系数保存 判断是否在合理范围里 不合理将使用默认的参数
        if(TRUE == WriteAdcCoefficient(s_wMaxAdcVal, ADC_FULL_CALIB_BAT))
        {
            ReadAdcCoefficient(&g_dwAdcCalibMark, &g_fAdcKRVCoefficient);
        }
        s_wMaxAdcVal = 0u;
    }

    //充满状态变化
    if(bIsChgFull != g_bChargFull)
    {
        g_bChargFull = bIsChgFull;
    }

优点：

• 自动校准系数，不依赖校准电压和生产流程。

缺点：

• 第一次充满前使用默认系数k，可能是不准的。

3.5 上电或满电校准方案

MCU实现自校准功能，通过上电校准或满电时校准，校准方法如下：

满足上电校准方案逻辑，只允许出厂时校准一次；
满足满电校准方案逻辑，每次满电重新校准。

优点：

• 自动校准系数，不强制依赖校准电压和生产流程。

缺点：

• 如果未进行上电校准，第一次充满前使用默认系数k，可能是不准的。

3.6 确保电量呈现步进变化

• 周期性检测电池容量(30s)，根据当前的采集到的电压值，计算电量百分比；
• 考虑到电量可能检测不到100%的情况，当软件检测到充满时，将电量百分比强制变更为100%；
• 当处于充电状态时，此次采集的电量百分比大于当前百分比，百分比自增1；
• 当处于放电状态时，此次采集的电量百分比小于当前百分比，百分比自减1。

    //充电且满足电量百分比在向上变化 每次加1个百分比
    if((bIsCharge == ENABLE) && (byBatPercent > g_byBatteryPercentage))
    {
        g_byBatteryPercentage += 1u;
    }
    //当没在充电 电量百分比只能每次向下掉1个百分比
    else if((bIsCharge == DISABLE) && (byBatPercent < g_byBatteryPercentage))
    {
        g_byBatteryPercentage -= 1u;
    }

优点：

• 无复杂的滤波方法，效率高。
• 保证每次变化的电量百分比不超过预期。
• 对插入充电和拔除充电有比较好的效果。

缺点：

• 与实际采集有偏差，带延迟。

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2021-08-18 李不清的烦恼，总结篇。