帶DMM和藍牙功能手機充電器的研發(fā)

許博 李立麗

（1.上海師范大學(xué)信息與機電工程學(xué)院 上海市 200234 2.泛亞班拿物流（武漢）有限公司 湖北省武漢市 430000）

21世紀以來，手機已成為最普及的電器，尤其在中國，上至耄耋之年的老者，下到未成年的孩子均在持者之列，中青年人更是一人多機，充電器是所有手機的必配件之一。目前充電器除為手機充電外，并無其它功能。若在小巧的充電器中增加常用電氣參數(shù)（如交（直）電壓/電流、電阻、電容等）測量功能，無疑會給普通百姓的日常生活帶來極大的方便。經(jīng)試驗，將FS9721 DMM芯片與帶藍牙功能的微處理器芯片（如CC2541）組合，使充電器兼有充電和DMM測量功能，可滿足手機持有者的日常需求，尤其為電子愛好者和相關(guān)從業(yè)人員增添了一種便攜式測量工具，當然，其測量精度略遜于專業(yè)DMM

1 充電與測量原理簡介

1.1 原理框圖

圖1為充電與測量原理框圖。主要包括的功能模塊有：

（1）公共輸入端：萬用表表筆或充電插頭在此插入；

（2）DMM模塊：包括萬用表專用主控芯片F(xiàn)S9721—LP3及其附屬電路；

（3）有8位微處理器、帶藍牙和UART通信芯片CC2541；

（4）UI模塊：包括OLED顯示屏和4個操作鍵，用于查看測量值并進行相關(guān)操作；

（5）電源適配器：用于將交流電轉(zhuǎn)換為DC5V和其他電壓；

鋰電池及其充電管理電路。

當充電插頭從電源插座拔出，并將圖4的轉(zhuǎn)換插頭從圖3上拔出后，便處于測量狀態(tài)。在該狀態(tài)下，CC2541的I/O口分別控制兩只以磁保持繼電器（RST和SET）為負載的功率管，由其控制輸入通道，將測量信號與FS9721相應(yīng)功能的I/0引腳相連。圖2是測量模式下由CC2541通過激勵功率管的通斷控制輸入通道中的測量項目，使用者需要測量不同項目時，通過CC2541控制切換至相應(yīng)的輸入口。FS9721提供了四個與測量項目相關(guān)的I/0口（MEA1-MEA4），測量項目的選擇詳見文獻[1]中10.1-10.4節(jié)說明。

1.2 電源系統(tǒng)

本裝置的電源系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，可以分為以下兩部分：

（1）電源適配器給手機和內(nèi)置電池充電，電壓為5V。

（2）為CC2541、OLED和FS9721供 電：與CC2541相 關(guān)的電路用到四種不同電壓?；镜?.3V電壓由鋰電池經(jīng)過線性穩(wěn)壓器HT7333-1提供，其他電壓值均由此變換而來。3.3V經(jīng)TPS61040升壓后將電壓提升至9V供給UI中的OLED顯示屏。為FS9721模塊供電的電壓較為關(guān)鍵，共用到6種不同的直流電壓。需要特別說明的是，F(xiàn)S9721中的數(shù)字地VSS和模擬地AGND不是等電位，不能直接相連。3.3V的正、負端，應(yīng)分別接至芯片F(xiàn)S9721的VDD和VSS端，將兩支10μF電容串聯(lián)后并接至電池兩端，兩電容的聯(lián)接點接至芯片的模擬地AGND，其電位值相當于VDD/2（相對VSS），該點電位值由IC內(nèi)部產(chǎn)生，不可與電池的中間點相連。有關(guān)該芯片電源供電的更詳細信息，可參見相關(guān)資料[1]。根據(jù)芯片應(yīng)用目的不同，電源系統(tǒng)中各電壓值可能有所不同，相關(guān)參數(shù)也要作適當調(diào)整。

圖1：充電/測量功能原理框圖

圖2：測量模式下CC2541控制輸入測量通道

1.3 藍牙芯片CC2541在裝置中的功能

藍牙是廣泛用于手機和其他小型電子設(shè)備的近距離無線通訊協(xié)議。經(jīng)過多年發(fā)展，藍牙4.0版本得到了廣泛應(yīng)用。

CC2541符合2.4GHz低能耗規(guī)范和RF片載系統(tǒng)[2-4]，它是一款集成了以8051為內(nèi)核、具有串行通信和帶藍牙功能的8位微處理器IC，它支持4.0單模藍牙BLE協(xié)議。對于程序開發(fā)，TI公司提供了BLE協(xié)議棧，盡管沒有公布原代碼，但它完成了應(yīng)用開發(fā)的80%工作（常見的應(yīng)用需求，如設(shè)備的連接、加密及數(shù)據(jù)傳輸），剩下20%則由各種應(yīng)用的具體場景需求來決定的。在本裝置中，根據(jù)其Simple BLE Peripheral樣例，實現(xiàn)了藍牙對數(shù)據(jù)的傳輸和控制。其主要功能為：

圖3：充電/測量裝置總成

圖4：可更換的充電插頭

圖5：測量用香蕉插頭

圖6：模式轉(zhuǎn)換按鍵電路

圖7：CC2541控制功率管切換充電與測量模式電路圖

圖8：系統(tǒng)的工作程序流程圖

（1）利用其I/O口，控制充電與測量功能之間的切換；

（2）通過UART接收FS9721發(fā)送的測量結(jié)果，并在OLED屏上顯示；根據(jù)使用者的需要，在不同測量項目間切換；

（3）將測量結(jié)果通過藍牙發(fā)送給手機。

2 模式切換與功能

2.1 模式切換

模式切換有兩種形式，一種是手機充電器與DMM測量功能間的切換，在同一時間，本裝置可作為其中一種功能使用，但可按需要相互切換；另一種是不同電氣參數(shù)（如交（直）電壓/電流、電阻、電容、二極管通斷、頻率/點空比等）測量項目間的切換。此處的模式切換指的是前者，充電與電氣參數(shù)測量間的切換參見圖3至圖6。

（1）將圖4的可更換充電插頭（更換本圖結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)不同地區(qū)和國家的供電方式[5]）插入圖3的插孔中，圖6的模式轉(zhuǎn)換按鍵S5按下，觸發(fā)CC2541的內(nèi)部電路，此時將充電器插頭總成插入電源插座時進入充電狀態(tài)。

表1：實驗裝置測量結(jié)果匯總表

（2）將圖4的插頭從圖3中拔出，按鍵S5彈起，觸發(fā) CC2541內(nèi)部電路進入測量模式。將圖5所示的香蕉插頭插入圖3的孔內(nèi)，即進入?yún)?shù)測量。這兩種模式的切換在內(nèi)部電路中是由圖7所示電路完成的。圖3左側(cè)中部方框為測量結(jié)果的OLED顯示屏，其上下各兩個按鍵配合進行測量功能和量程切換。

（3）CC2541具有低功耗待機模式，其I/O口可在該模式下識別外界產(chǎn)生的上升沿或下降沿電平，并觸發(fā)它進行相應(yīng)的處理。在本裝置中，CC2541識別到由S5產(chǎn)生的上升沿電平后，即控制相關(guān)電路進入測量模式。

2.2 測量功能組合

本裝置的第一個功能是作為充電器給手機充電，其內(nèi)有內(nèi)置鋰電池及充電管理電路（決定是否需要給鋰電池充電）；另一個功能是用于測量，此時，該鋰電池為DMM、CC2541及相關(guān)芯片和部件供電。

在測量狀態(tài)下，本裝置有以下功能組合可供選擇：

（1）測量常規(guī)的交（直）電壓/電流、電阻、二極管及通斷；

（2）（1）+電容+頻率和占空比+溫度。對這兩種測量模式，選用帶微處理器的專用DMM芯片及相應(yīng)的輸入通道與量程切換網(wǎng)絡(luò)即可（但通道與量程切換需要外部組件配合，使體積變大）；

（3）（2）+CC2541，控制通道切換，還能向手機發(fā)送測量結(jié)果。也可根據(jù)用戶群的需要進行不同測量項目的靈活組合。

3 實現(xiàn)系統(tǒng)功能的程序流程圖

系統(tǒng)的工作程序流程如圖8所示，用戶使用時可按圖9的流程順序進行操作。

4 測量數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

我們對裝置進行了部分項目測試，結(jié)果見表1。表中的＂標稱值＂為Fluke5520A校準器[6]輸出的值。測量結(jié)果與Fluke-15B的測量結(jié)果接近。

作為一個便攜式DMM，原設(shè)計的目標是將誤差控制在3%以內(nèi)。從測試結(jié)果來看，達到了預(yù)期目的。

（1）從表1可以看出，在四個測量項目中電阻的測量誤差最小，電容的誤差較大；從交、直電壓測量結(jié)果看，直流電壓的測量結(jié)果優(yōu)于交流。

圖9：用戶使用時的操作流程圖

（2）在電容和交流電壓的測量過程中，均存在交流信號，其誤差相對較大。說明輸入信號在公共輸入通道引入過程或內(nèi)部對交流信號的處理還不夠理想，這就要求設(shè)計和制作PCB時要充分考慮信號間的串擾。

（3）由于FS9721是CMOS芯片，按出廠說明，要做好接地和防靜電保護，操作前，操作者的手應(yīng)事先與地或金屬物接觸放電，操作環(huán)境的濕度不能低于75%（濕度越低越易產(chǎn)生靜電），操作者手應(yīng)戴接地環(huán)，以免損壞芯片。

（4）需要進一步調(diào)整CC2541的板載天線布局，減少藍牙射頻信號對測量電路的干擾。

5 結(jié)語

（1）本裝置的獨創(chuàng)性在于使手機充電器兼有DMM測量功能，加入CC2541藍牙芯片，不僅能向手機發(fā)送測量結(jié)果，還能對輸入通道的測量項目和量程進行編程控制，使其體積大為縮小而成為便攜式。當然也可用其他方法[7-8]對DMM中主芯片F(xiàn)S9721進行測量控制。

（2）現(xiàn)行數(shù)字萬用表多采用撥盤來改變測量項目和量程。因而，體積大，不便攜帶；借用上面的想法，也可使通用DMM體積大為縮小而成為袖珍式；對于專用DMM，完全可以做成卡片式嵌入實際應(yīng)用系統(tǒng)中。

（3）實踐證明，在現(xiàn)有手機充電器中加入帶DMM測量功能的做法是成功的，國內(nèi)專業(yè)充電器生產(chǎn)廠家可以根據(jù)用戶的實際需要，生產(chǎn)出不同類型帶DMM功能的充電器，滿足不同用戶群的需求。鑒于國內(nèi)年青一代手機用戶，常喜歡用充電寶充電，以后的充電器除兼有DMM測量功能外，還可考慮采用充電寶充電的結(jié)構(gòu)，并能用DMM的測量功能，及時監(jiān)測充電寶的剩余電量及充放電的電壓電流參數(shù)，為外出或野外工作提供更好的支援。

注：本文內(nèi)容以相關(guān)專利[9]為依托。