带DMM和蓝牙功能手机充电器的研发

许博 李立丽

（1.上海师范大学信息与机电工程学院 上海市 200234 2.泛亚班拿物流（武汉）有限公司 湖北省武汉市 430000）

21世纪以来，手机已成为最普及的电器，尤其在中国，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机，充电器是所有手机的必配件之一。目前充电器除为手机充电外，并无其它功能。若在小巧的充电器中增加常用电气参数（如交（直）电压/电流、电阻、电容等）测量功能，无疑会给普通百姓的日常生活带来极大的方便。经试验，将FS9721 DMM芯片与带蓝牙功能的微处理器芯片（如CC2541）组合，使充电器兼有充电和DMM测量功能，可满足手机持有者的日常需求，尤其为电子爱好者和相关从业人员增添了一种便携式测量工具，当然，其测量精度略逊于专业DMM

1 充电与测量原理简介

1.1 原理框图

图1为充电与测量原理框图。主要包括的功能模块有：

（1）公共输入端：万用表表笔或充电插头在此插入；

（2）DMM模块：包括万用表专用主控芯片FS9721—LP3及其附属电路；

（3）有8位微处理器、带蓝牙和UART通信芯片CC2541；

（4）UI模块：包括OLED显示屏和4个操作键，用于查看测量值并进行相关操作；

（5）电源适配器：用于将交流电转换为DC5V和其他电压；

锂电池及其充电管理电路。

当充电插头从电源插座拔出，并将图4的转换插头从图3上拔出后，便处于测量状态。在该状态下，CC2541的I/O口分别控制两只以磁保持继电器（RST和SET）为负载的功率管，由其控制输入通道，将测量信号与FS9721相应功能的I/0引脚相连。图2是测量模式下由CC2541通过激励功率管的通断控制输入通道中的测量项目，使用者需要测量不同项目时，通过CC2541控制切换至相应的输入口。FS9721提供了四个与测量项目相关的I/0口（MEA1-MEA4），测量项目的选择详见文献[1]中10.1-10.4节说明。

1.2 电源系统

本装置的电源系统相对比较复杂，可以分为以下两部分：

（1）电源适配器给手机和内置电池充电，电压为5V。

（2）为CC2541、OLED和FS9721供 电：与CC2541相 关的电路用到四种不同电压。基本的3.3V电压由锂电池经过线性稳压器HT7333-1提供，其他电压值均由此变换而来。3.3V经TPS61040升压后将电压提升至9V供给UI中的OLED显示屏。为FS9721模块供电的电压较为关键，共用到6种不同的直流电压。需要特别说明的是，FS9721中的数字地VSS和模拟地AGND不是等电位，不能直接相连。3.3V的正、负端，应分别接至芯片FS9721的VDD和VSS端，将两支10μF电容串联后并接至电池两端，两电容的联接点接至芯片的模拟地AGND，其电位值相当于VDD/2（相对VSS），该点电位值由IC内部产生，不可与电池的中间点相连。有关该芯片电源供电的更详细信息，可参见相关资料[1]。根据芯片应用目的不同，电源系统中各电压值可能有所不同，相关参数也要作适当调整。

图1：充电/测量功能原理框图

图2：测量模式下CC2541控制输入测量通道

1.3 蓝牙芯片CC2541在装置中的功能

蓝牙是广泛用于手机和其他小型电子设备的近距离无线通讯协议。经过多年发展，蓝牙4.0版本得到了广泛应用。

CC2541符合2.4GHz低能耗规范和RF片载系统[2-4]，它是一款集成了以8051为内核、具有串行通信和带蓝牙功能的8位微处理器IC，它支持4.0单模蓝牙BLE协议。对于程序开发，TI公司提供了BLE协议栈，尽管没有公布原代码，但它完成了应用开发的80%工作（常见的应用需求，如设备的连接、加密及数据传输），剩下20%则由各种应用的具体场景需求来决定的。在本装置中，根据其Simple BLE Peripheral样例，实现了蓝牙对数据的传输和控制。其主要功能为：

图3：充电/测量装置总成

图4：可更换的充电插头

图5：测量用香蕉插头

图6：模式转换按键电路

图7：CC2541控制功率管切换充电与测量模式电路图

图8：系统的工作程序流程图

（1）利用其I/O口，控制充电与测量功能之间的切换；

（2）通过UART接收FS9721发送的测量结果，并在OLED屏上显示；根据使用者的需要，在不同测量项目间切换；

（3）将测量结果通过蓝牙发送给手机。

2 模式切换与功能

2.1 模式切换

模式切换有两种形式，一种是手机充电器与DMM测量功能间的切换，在同一时间，本装置可作为其中一种功能使用，但可按需要相互切换；另一种是不同电气参数（如交（直）电压/电流、电阻、电容、二极管通断、频率/点空比等）测量项目间的切换。此处的模式切换指的是前者，充电与电气参数测量间的切换参见图3至图6。

（1）将图4的可更换充电插头（更换本图结构，可适应不同地区和国家的供电方式[5]）插入图3的插孔中，图6的模式转换按键S5按下，触发CC2541的内部电路，此时将充电器插头总成插入电源插座时进入充电状态。

表1：实验装置测量结果汇总表

（2）将图4的插头从图3中拔出，按键S5弹起，触发 CC2541内部电路进入测量模式。将图5所示的香蕉插头插入图3的孔内，即进入参数测量。这两种模式的切换在内部电路中是由图7所示电路完成的。图3左侧中部方框为测量结果的OLED显示屏，其上下各两个按键配合进行测量功能和量程切换。

（3）CC2541具有低功耗待机模式，其I/O口可在该模式下识别外界产生的上升沿或下降沿电平，并触发它进行相应的处理。在本装置中，CC2541识别到由S5产生的上升沿电平后，即控制相关电路进入测量模式。

2.2 测量功能组合

本装置的第一个功能是作为充电器给手机充电，其内有内置锂电池及充电管理电路（决定是否需要给锂电池充电）；另一个功能是用于测量，此时，该锂电池为DMM、CC2541及相关芯片和部件供电。

在测量状态下，本装置有以下功能组合可供选择：

（1）测量常规的交（直）电压/电流、电阻、二极管及通断；

（2）（1）+电容+频率和占空比+温度。对这两种测量模式，选用带微处理器的专用DMM芯片及相应的输入通道与量程切换网络即可（但通道与量程切换需要外部组件配合，使体积变大）；

（3）（2）+CC2541，控制通道切换，还能向手机发送测量结果。也可根据用户群的需要进行不同测量项目的灵活组合。

3 实现系统功能的程序流程图

系统的工作程序流程如图8所示，用户使用时可按图9的流程顺序进行操作。

4 测量数据与结果分析

我们对装置进行了部分项目测试，结果见表1。表中的＂标称值＂为Fluke5520A校准器[6]输出的值。测量结果与Fluke-15B的测量结果接近。

作为一个便携式DMM，原设计的目标是将误差控制在3%以内。从测试结果来看，达到了预期目的。

（1）从表1可以看出，在四个测量项目中电阻的测量误差最小，电容的误差较大；从交、直电压测量结果看，直流电压的测量结果优于交流。

图9：用户使用时的操作流程图

（2）在电容和交流电压的测量过程中，均存在交流信号，其误差相对较大。说明输入信号在公共输入通道引入过程或内部对交流信号的处理还不够理想，这就要求设计和制作PCB时要充分考虑信号间的串扰。

（3）由于FS9721是CMOS芯片，按出厂说明，要做好接地和防静电保护，操作前，操作者的手应事先与地或金属物接触放电，操作环境的湿度不能低于75%（湿度越低越易产生静电），操作者手应戴接地环，以免损坏芯片。

（4）需要进一步调整CC2541的板载天线布局，减少蓝牙射频信号对测量电路的干扰。

5 结语

（1）本装置的独创性在于使手机充电器兼有DMM测量功能，加入CC2541蓝牙芯片，不仅能向手机发送测量结果，还能对输入通道的测量项目和量程进行编程控制，使其体积大为缩小而成为便携式。当然也可用其他方法[7-8]对DMM中主芯片FS9721进行测量控制。

（2）现行数字万用表多采用拨盘来改变测量项目和量程。因而，体积大，不便携带；借用上面的想法，也可使通用DMM体积大为缩小而成为袖珍式；对于专用DMM，完全可以做成卡片式嵌入实际应用系统中。

（3）实践证明，在现有手机充电器中加入带DMM测量功能的做法是成功的，国内专业充电器生产厂家可以根据用户的实际需要，生产出不同类型带DMM功能的充电器，满足不同用户群的需求。鉴于国内年青一代手机用户，常喜欢用充电宝充电，以后的充电器除兼有DMM测量功能外，还可考虑采用充电宝充电的结构，并能用DMM的测量功能，及时监测充电宝的剩余电量及充放电的电压电流参数，为外出或野外工作提供更好的支援。

注：本文内容以相关专利[9]为依托。