何国锋，刘宇红

(贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025)

基于SMBus协议的电池信息监测系统

何国锋，刘宇红

(贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025)

目前大部分智能电池都对外提供了SMBus协议接口。为了对智能电池的信息进行监测，首先对SMBus协议的时序进行分析，然后通过MSP430处理器的硬件接口模拟协议，对以BQ3060电池信息管理芯片为核心的电池组进行命令写入与数据读取，实现了智能电池信息监测系统，可以对电池的电量、温度、电压、电流等多种信息进行实时监测。

SMBus；电池信息监测；BQ3060

0　引言

SMBus协议是 Intel公司（联合其他公司）在 PC-I2C基础上研发出来的系统管理总线协议。最初是为智能电池、充电电池和与其他系统通信的微控制器之间的通信链路而定义的［1］，后来也被用来连接各种设备，包括电源相关设备、系统传感器、EEPROM通信设备等。其被广泛用于笔记本电脑上，检测各元件状态并更新硬件设置引脚。它为系统和电源管理这样的任务提供了一条控制总线，使用 SMBus总线的系统，设备之间发送和接收消息都是通过 SMBus总线，而不是使用单独的控制线，这样可以节省设备的管脚数。随后，Intel公司联合其他公司在此基础上创建了智能电池管理标准，SMBus成为在智能电池及低速率管理设备上被广泛采用的协议标准。

1　SMBus协议分析

SMBus由两根总线，即串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）构成［2］，主要用于主从系统。由于 SMBus是双向通信，因此在设计电路时两条线上都需要外接上拉电阻，数据可以在总线空闲时间进行传输。

1.1SMBus启动和停止条件

在总线处于空闲状态时，SMBus总线上的 SCL和SDA都被上拉电阻拉至高电平。此时，当SDA由高电平变为低电平，总线启动SMBus协议传输。启动条件产生后，总线就被视为忙的状态；当SCL为高电平时，SDA由低电平变为高电平，SMBus传输停止［3］，停止条件发生一段时间后，总线再次被视为空闲状态。启动条件和停止条件总是由主设备产生，图1为模拟SMBus协议启动和停止的时序图，S表示启动条件，P表示停止条件。

图1　SMBus协议启动与停止信号

1.2数据的有效性

SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定，数据线上的电平只有在SCL线为低电平时才可以改变［3］。图2为SMBus协议数据有效性的图示。

1.3SMBus数据传输

图3是SMBus数据传输协议时序图，当SMBus启动信号产生后，数据以串行方式进行传输，每次传输以8 bit(1 B)为一组，每次可发送的字节数不受限制，但是每个字节后必须跟一个响应位。数据以高字节在前、低字节在后的顺序传输，第9位为应答位［2］。

总线上的所有器件都有一个唯一地址，并且都可以工作在接收或发送状态，构成了4种工作模式，即主发送、主接收、从发收、从接收［3］。SMBus总线还具有仲裁功能，保证同一时刻只有一个器件在控制总线。

图2　SMBus数据有效性

图3　SMBus协议数据传输

2　硬件实验环境

2.1主机系统实现

主机系统采用了以MSP430F149处理器为核心的开发板，MSP430是德州仪器公司推出的一款 16位、具有超低功耗芯片及精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）［4］，被广泛用于智能便携电子设备中。开发板上拥有较丰富的外设资源，同时集成了RS232模块，可以将测得的数据信息等通过串口实时发送到上位机中，查看验证结果。

2.2智能电池

目前大部分智能电池对外接口都遵循 SMBus协议标准，本设计采用的智能电池是一块由4节锂电池组成的智能电池组，采用德州仪器的BQ3060电源管理芯片进行电池管理。BQ3060芯片可以对最多4节电池构成的电池组进行管理，将普通电池组变成智能电池，并通过SMBus总线接口与处理器通信。

将MSP430处理器与智能电池以及其他外围器件同时挂载到接有上拉电阻的SMBus总线上，如图4所示。MSP430处理器为主机，总线上的其他设备充当从机。当启动传输协议时，MSP430可以通过 SMBus总线获得 4节锂电池的相关信息。

图4　MSP430主机与智能电池等外围器件总线连接图

3　SMBus协议软件实现

3.1SMBus启动

在初始时刻，总线处于空闲状态，数据线和时钟线都被拉高，此时拉低数据线，SMBus启动。下面是模拟SMBus协议的启动代码：

3.2SMBus停止

在时钟线为高时，当数据线被拉高，SMBus停止。以下是模拟SMBus协议停止代码：

3.3SMBus检测应答

在数据传输的第9个时钟，主机需要检测总线上SDA的电平是否被拉低，如果规定的时钟周期内未检测到低电平，视为无应答，说明传输失败；如果检测到低电平，说明从机成功接收到数据，可以继续下一步传输。代码如下：

3.4SMBus发送应答

当主机接收完从机发来的8 bit数据后，需要在第9个时钟周期内做出应答，并且告诉从机是否继续通信。如果继续通信，则拉低SDA电平；如果希望终止通信，则拉高SDA上的电平。代码如下：

3.5SMBus读取字节

从SMBus总线上读取字节按照从高位到低位的顺序逐位读取，编程时在时钟为高时读取到的值保存到变量中并返回。

3.6SMBus写入字节

向SMBus总线上写入字节时从高位到低位依次写入，写入完一个字节后将数据总线拉高。

3.7SMBus通信协议帧

使用SMBus协议对设备信息进行读取时有统一的标准要求，图5是SMBus设备间通信协议帧结构图。最先传输的是启动条件S，随后发送第一帧数据，由7位设备地址DevAdd、1位写标志W和1位应答Ack构成。第二帧由8位设备内的寄存器地址RegAdd和1位应答Ack构成，如要读取电池的温度，RegAdd则为温度寄存器。其中前两帧都是主设备向总线上写信息，告诉了总线要写入的设备地址，以及要获得设备中哪个寄存器的内容。接下来要再次发送启动信号S进行一次重启。第三帧数据由 7位设备地址 DevAdd、1位读标志位 R、1位应答Ack构成；第四帧由8位数据Data1和1位应答Ack构成；第五帧也由8位数据Data2和1位应答Ack构成。其中第三帧数据告诉了总线要对哪个设备进行读取操作，第四帧和第五帧则由主机从总线上两次读取数据，得到Data1和 Data2，这两个字节分别为读取值的高8位和低8位。最后是一位停止信号P。

图5　SMBus协议帧结构

将协议中包含的数据帧按照图5格式进行打包，统一写成函数以方便应用。代码如下：

3.8主程序设计

主程序中最先要通过SMBus总线向智能电池发送命令，对BQ3060芯片进行初始化配置，然后调用SMBus_ReadAdd函数即可获得电池相关信息，如电池电压和相对电量 Reg地址分别为 0x09、0x0d，其他寄存器请参考芯片手册。调用方法如下：

读取字节时，SMBus_ReadAdd(0x09)&0x7FFF和SMBus_ ReadAdd(0x0d)&0x7F因为电压返回值范围是0～20 000 mV，电量状态范围为0～100%，为防止数据出错，要对有效位进行选取，同时读取数据后一定要进行延时操作，否则读数结果会出现错误。

4　设计结果与分析

IAR EW for MSP430是IAR公司为TI公司的MSP430系列处理器开发的一款集成开发环境，可对工程进行有效管理、编译、链接后生成目标文件，并结合 MSP专门的USB烧录器进行程序下载。

通过MSP430F149开发板自带的RS232模块与笔记本USB口相连，MSP430将监测到的电池信息通过Uart0口发送到串口助手，最开始测得的所有数值都存在错误，通过对程序进行分析，发现在使用 SMBus进行读取数据时没有设置一定的延时等待，加上延时函数后结果正常，但依然错误率很高。在查阅了BQ3060数据手册后才发现电压的有效值是 0～20 000 mV，电量的有效值是0～100%，每次需要对读到的值进行有效位的提取，如SMBus_ReadAdd(0x09)&0x7FFF和 SMBus_ReadAdd(0x0d) &0x7F语句处理后，输出结果正确，如图6。

用电压表测电池两端的电压为15.9 V，与系统的15 943 mV一致，室内空调显示温度为26℃，考虑到电池使用过程会发热，因此温度会比室温高一些。通过检测出来的数据可以看出，用SMBus协议可以很方便地对智能电池信息进行监测，同时不需要处理器亲自去检测电池的各种信息，节省了处理器的时钟，可以使处理器更多的时间用在算法、控制等处理上。

5　小结

本文实现了一个使用SMBus协议对电池信息进行实时监测的系统，系统准确监测到电池电压、电量、温度等重要信息。在实际应用中，可以根据需要对电池的其他信息进行监测，相关寄存器地址可以参考TI公司数据手册。虽然使用以BQ3060为管理芯片的智能电池作为实验平台，但是系统适合于对所有使用SMBus协议的智能电池进行监测，TI公司BQ系列电源管理芯片基本都支持SMBus协议，只需对设备地址、寄存器地址做相应改变就可达到通用的目的。

［1］路铁生．系统管理总线（SMBus）与智能充电［J］．电源世界，2011(8)：36-39.

［2］陈涛，万亚坤．基于智能电池系统的 SMBus总线研究及IP设计［J］．中国集成电路．2008(11)：48-51.

［3］吴珍毅．基于SMBus的智能锂动力电池总线系统的实现［J］．北京联合大学学报，2012，26（4）：15.

［4］郝建国．MSP430微控制器基础和应用［M］．北京：电子工业出版社，2014.

Battery information monitoring system based on SMBus protocol

He Guofeng，Liu Yuhong
(College of Big Data and Information Engineering,Guizhou University，Guiyang 550025，China)

Now most of smart batteries provide SMBus protocol interface for user.In order to monitor the information of the battery, the paper analyzed the timing of SMBus protocol at first,and then simulated the protocol through MSP430 processor′s hardware interface,to read data from or write commands to the battery pack based on power management chip BQ3060.At last a smart battery information monitoring system was realized,which could monitor batteries′capicity,temperature,voltage,current and other information in real time.

SMBus；battery information monitoring；BQ3060

TP277

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.014

（2015-12-13）（

2015-10-30）

何国锋（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式通信系统、生物医学信号处理。

刘宇红（1963-），通信作者，男，教授，主要研究方向：嵌入式通信系统、语音信号及数字图像处理，E-mail：liuyuhongyx@sina.com。

中文引用格式：何国锋，刘宇红.基于 SMBus协议的电池信息监测系统［J］.电子技术应用，2016，42(4)：49-52.

英文引用格式：He Guofeng，Liu Yuhong.Battery information monitoring system based on SMBus protocol［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：49-52.