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this is UPSPACK_V3 repo , share code and manual

Primary LanguagePythonGNU General Public License v3.0GPL-3.0

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固件升级中文教程

RPi UPSPack V3 产品使用指南

UPSPack v3 是在2020年9月发布的新一代树莓派UPS不间断电源扩展板的最新型号。根据以往v1和v2版本的迭代升级，v3版本是目前树莓派UPS供电最稳定的一种供电方案。

UPS3

目录

功能升级

以下列出UPS v3版本和v2版本的产品差异：

功能特点 RPi UPSPack V3版本 RPi UPSPack V2版本
输入接口 TYPE-C接口（兼容最新Pi4的电源线） Micro-USB接口（兼容Pi3及更老型号的Pi）
最大输出电流 5V 3A 5V 3A
外部停电，Pi持续供电（不重启） 支持 支持
硬件开停机开关 有 有
GPIO供电接口和UART、halt signal信号接口 有 有
锂电池电量统计 支持 支持
开机低压检测 支持 不支持
电源适配器异常检测（停电时刻检测） 支持 支持
USB-A座输出电压值检测 支持 支持
电池耗尽前自动通知关机 支持 支持
停电后，程序自动开机 支持（无需人工干预，程序开机） 不支持（需人工干预开机）
停电后，UPS自动切换成休眠模式 支持 不支持
固件升级 支持 不支持
UPS与Pi的串口（UART）通讯：
通讯设置 9600 bps 8N1 9600 bps 8N1
协议版本号 V3.1（及更高版本） V1.0
协议向下兼容性 兼容V2老版本的UPS通讯协议 兼容
UPS与Pi的单总线通讯（System halt signal）
通讯IO口 UPS主板的STA接口连接树莓派GPIO18（BCM 18） UPS主板的STA接口连接树莓派GPIO18（BCM18）
通讯协议 脉冲方式 电平方式
软件兼容性 V3采用脉冲检测更为可靠（与V2版本软件不兼容） 电平检测方式

性能参数

以下是是UPS v3输出最大电流、续航时间、断电不重启、电池耗尽前安全关机和自动开机，几个方面来阐述UPS v3的性能和注意事项。

输出电流

通过EBC-A10H对UPS v3进行电流极限测试。输出最大电流能足量达到：5V 3A。经过实际测试Pi4运行官方Raspbian系统时，正常的功耗是5V 1A左右，如插入摄像头和U盘等外设的情况下，功耗逐渐增大到5V 2A。所以采用UPS v3对Pi4 进行供电，是有较大的余量的。并且在输出3A的情况下。2.54排针接口也能保证5V以上的供电。用户需要注意5V和GND必须使用硅胶杜邦线。如采用普通杜邦线，在电流较大时，会引起较大线损，从而在Pi4上屏幕上观察到闪电的低压符号。

3a

test3a

续航时间

UPS v3板载电池接口为PH 2.0封装（兼容以往的老型号UPS主板），PCB板上有印刷正极、负极的标志。产品提供了3种不同容量的电池可供客户选择。客户亦可自行接入不同容量、额定电压为3.7V的锂聚合物电池，或者是3.7V 18650/21700/21650电池组。注意：输入UPS电池接口的电压范围必须是小于等于4.2V。（所有电池组必须是并联关系，不能把电芯串联）。不支持3.65v磷酸铁锂电池包。UPS v3 标准成品提供3种容量、不同体积的锂电池供客户选择：

型号 体积（长 x 宽 x 厚）
4000mAh（额定电压3.7V，电池内置保护板） 70mm x 41mm x 9.5mm
6500mAh（额定电压3.7V，电池内置保护板） 116mm x 50mm x 8mm
10000mAh（额定电压3.7V，电池内置保护板） 115mm x 65mm x 9mm

我们搭建了不同的应用组合，得到了如下的续航数据：

电池容量 Pi4单机 Pi4+官方7寸屏(DSI接口) Pi4+3.5寸(GPIO) Pi4+5寸(HDMI) Pi+7寸(HDMI)
4000mAh 5.5h 2.5h 4.0h 3.3h 2.0h
6500mAh 9.0h 4.0h 6.5h 5.2h 3.2h
10000mAh 14.5h 6.0h 10.0h 8.5h 5.0h

测试方式：

  1. 以上所有数据单位为小时(hours)。
  2. 运行的系统为：2020-05-27-raspios-buster-full-armhf ，系统不做任何设置修改。系统后台只运行一个RPi_runtime_recoder.py进行时间统计。
  3. 3种容量的电池完全充满电量，然后接入树莓派后，利用程序进行时间记录。放电截至点为UPS让树莓派自动关机，通过log文件查看实际运行的时间。
  4. 下载、并运行 UPSPACK_V3/time_count/RPi_runtime_recoder.py 进行时间记录。当树莓派关机后，接入电源适配器读取程序目录下的time_log.txt进行续航时间的查看。

断电不重启

断电不重启是UPS v3的基本功能。以下演示的是Pi4和7寸HDMI屏幕都由UPS v3进行供电，人工拔掉输入的TYPE-C供电线，用来模拟外部停电的情况。Pi4和HDMI屏幕都将维持稳定的工作。

pwr_off

开机低压检测及自动关机和自动开机

当UPS 单独靠电池供电时，电池会有耗尽的情况。所以我们设计了一系列自动化开机和关机的策略，以使得UPS能工作在无人值守的环境中。

  • 开机低压检测：当插入的电池电压小于3.48V时，UPS会判断当前电池为即将耗尽的状态。此时虽然输出开关打到ON状态，UPS也不会对外输出5V，低压状态下UPS会关闭所有输出，并且自行进入休眠。（原因是：在电池耗尽状态，强制开机，在树莓派还没启动到桌面，电池保护板可能会停止输出。如没有这项保护策略，树莓派系统可能会因非法关机导致系统文件破损）。只有当插入TYPE-C充电线，UPS会自动唤醒，并且自动进入充电流程，充电到一定电量自动开启外部电源输出。
  • 自动关机： 当外部电源适配器停电，UPS自动采用电池作为后备电源对树莓派进行供电。当电池即将耗尽之前，UPS主板会通过System halt signal通知树莓派提前关机。然后UPS主板会自动切断树莓派主电源，并且UPS自动进入睡眠模式，等待外部供电恢复。
  • 自动开机：当外部供电恢复后，UPS主板会自动恢复运行，并且开始对电池进行充电。经过一段时间充电后，UPS主板会自动打开树莓派的主供电电源，从而让树莓派恢复运行状态。

以下采用可编程电源模拟电池低压开机，UPS主板自动进入低压休眠，5V不输出。当TYPE-C线接入后，自动恢复运行和电压输出的整个过程：

low_bat

硬件说明

接口说明

main_board

标号 名称 描述
1 TYPE-C 电源适配器充电接口 外部5V电源对UPS进行供电的接口，供电需求5V 2A-3A
2 USB-A 座 2个USB-A座对树莓派主板进行供电。
3 LED 电量指示灯 4个LED灯（D1-D4）用于指示锂电池的当前电量
4 UPS主板测试口 工厂用于烧录UPS程序和自动测试主板。该接口对用户无用。
5 新塘MCU控制器 用于充放电路径管理，和树莓派主板相互通讯等功能。
6 双PMU（Power Manage Unit） 2颗电池充电放电，路径管理芯片（芯片已加密）
7 PH2.0 锂电池输入接口 支持1S 3.7V锂电池，可兼容3.7V18650 / 21700等电池组（要求电池组额定电压为3.7V）
8 UPS输出总开关 ON / OFF 开关，当开关打到ON后，UPS输出5V到树莓派主板。OFF则反之。（外部停电且电池低压，程序会自动关闭电源输出）
9 2.54mm排针口 3P排针口：单线通讯和UART接口，用于连接树莓派主板的GPIO口，进行通讯。
2P电源口：通过树莓派GPIO电源接口进行5V供电。
产品默认赠送排针，玩家如需使用到以上接口，可以选择性焊接。
10 电源输出LED灯 当输出5V稳定后，LED绿灯亮起。

UPS供电方式

电源适配器对UPS供电

UPS v3主板通过 TPYE-C线 对 UPS主板进行供电。对外部电源适配器的需求是5V 2A - 5V 3A。UPS内部有电源路径管理系统，会自动调节输入电流的大小。例如：当外部无负载、或者负载较轻，且UPS板载的电池也已经充满的情况下。输入电流会约等于负载的消耗电流。TYPC-C 输入的充电线，尽量采用短而粗的电源线，让线损较小，从而到达UPS的主板的充电功率是充足的。

提示：如果电源头标称参数为5V 3A，UPS工作在边充边放状态，电池电量还一直在减少的原因，可能是输入TYPE-C的线损较大（或电源头参数虚标），实际电源适配器到达TYPE-C接口的功率不足以同时给负载供电和同时给电池充电导致的。 解决方案：更换大品牌质量可靠的电源头和品牌充电线（较粗）。

UPS对树莓派主板供电

UPS主板可以使用USB-A座对树莓派主板进行供电，也可以通过GPIO 5V接口对树莓派进行供电。两种供电方案，选任意一种即可。

供电方式 说明
使用USB-A对树莓派主板进行供电 UPS插入TYPE-C电源线与Pi4进行供电。（Pi3及更老版本可以使用Micro-USB线进行连接）。优点：无需焊接，使用方便。缺点：USB座和USB线组成的接口整体内阻稍大，适合Pi4常规应用。USB线请选择尽可能短而粗的线，减少线损压降，防止Pi4出现闪电符号的情况。如还是出现闪电符号，可选用如下的GPIO直接供电的方案进行供电。
通过GPIO接口对树莓派进行供电 在UPS上焊接5V排针，用22AWG短而粗的硅胶杜邦线对Pi4进行供电。用柔软的硅胶杜邦线可承受5A的电流，并且内阻较小。请勿使用普通铝包铜的信号杜邦线，这将会引入较大内阻，从而导致线损压降大，Pi屏幕上出现低压闪电符号。
供电方式（以下2选1） 接线实例
使用USB-A对树莓派主板进行供电 cable_power
通过GPIO接口对树莓派进行供电 gpio_power

LED显示

UPS主板上板载6个LED灯：

  • 绿色LED：D1、D2、D3、D4用于电池的电量显示
  • 红色LED：Charge Status 为充电状态指示灯。（以下简称CS灯）
    • 当UPS关闭输出，用户只对UPS进行充电时：电池未充满时，CS灯闪烁。当电池完全充满时，CS灯常亮。
    • 当UPS工作在边冲边放状态下：CS灯一直为闪烁状态。只有当负载较轻的情况下，如给Pi Zero或者类似较轻负载供电时，经过较长充电后，CS灯会显示常亮。此灯由PMU管理芯片输出控制，当电池未充满时，都表现为闪烁状态。
    • 当UPS开关关闭，并且TYPE-C对UPS充电也关闭时：CS灯持续常亮20s后自动关闭。
  • 绿色LED：Power LED为输出电源指示灯。当UPS向树莓派主板输出5V电源时，此灯点亮。

LED电量显示表：

D4 D3 D2 D1 电池电压
灭 灭 灭 闪烁 小于3.45v
灭 灭 灭 常亮 3.55v
灭 灭 常亮 常亮 3.72v
灭 常亮 常亮 常亮 3.89v
常亮 常亮 常亮 常亮 大于4v

当D1-D4都常亮，并且CS灯也常亮，表示电池已完全充满。

电池接口

UPS主板的电池接口：PH2.0座。产品出厂配套的电池组内部已集成锂电池保护板。如用户想自行接入DIY的电池包，请注意以下几个注意事项：

  • 电池输出线的接口为PH 2.0 公头，注意接口的正极和负极！如电池线接反，UPS将会烧毁！

  • 自主电池组为1S 3.7V锂电池：额定电压3.7V，充满电压4.2V的电池组。常规兼容型号：18650、21700、21650等电池组都兼容。不兼容磷酸铁锂电池。

  • 容量无特别要求，但考虑到Pi4续航，最佳容量最好大于4000mAh

  • 自己组装的电池组尽量带6A及以上大电流锂电池保护板：市面上常规的锂电池保护板参数为3A-4A，当外部需要大电流时，保护电流太小的保护板可能会导致输出打嗝的状况。

bat_info

机械尺寸图

dim

通讯接口

UPS V3 与树莓派通讯，采用2种方式：UART接口和STA单总线接口。STA单总线接口简单灵活，只需要在pi上通过任意一个闲置的GPIO口（提供的Pi端python程序默认为：GPIO 18，玩家可自行更改）和UPS就能进行通讯。UART接口则可以让PI读取更为丰富的UPS目前工作信息。

2个接口的作用如下：

  • UART接口：UPS和树莓派的板载串口进行通讯。树莓派可以得到的信息：通讯心跳包、外部是否停电、电池容量百分比、向外输出电压值。
  • STA单总线接口：UPS主板在电池耗尽之前发送给树莓派主板一个脉冲信息（Halt signal），让树莓派安全的进行软件关机。当树莓派安全关机后，再次切断树莓派的5V主供电电源。（USB-A座和2P排针座都受程序控制）。当外部电源恢复后，UPS主板会自动进入充电流程，当电池充电到达一定容量，会自动对树莓派恢复供电。

gpio

软件驱动

安全关机

  1. 把产品配套的资料包，解压缩到 /home/pi/UPSPACK_V3 目录下。检查shutdown_check.py的完整目录是

    shutdown_check.py完整目录为如下：

    /home/pi/UPSPACK_V3/shutdown_check.py

  2. 更改/etc/rc.local，把自动关机的程序添加成开机自动启动

    sudo nano /etc/rc.local

#在最下面的 exit 的上面一行添加如下内容

sudo python3 /home/pi/UPSPACK_V3/shutdown_check.py &

rc

  1. 完成以上步骤，即可实现当电池耗尽前，树莓派自动安全关机的功能。并且当外部恢复电源，UPS板子会自动进行充电。当电池充电到一定电量后，UPS会自动开启树莓派的电源。
UART软件

UPS和树莓派通过UART接口进行信息交互，可以得到更为丰富的信息：

  • UPS运行时间
  • 外部TPYE-C供电口是否供电正常？（GOOD 或者 Not Good）
  • 电池当前百分比电量
  • UPS当前输出电压值

安装过程：

  1. 把UPS v3的UART口（TX、RX）和树莓派的UART口进行连接，详情见:通讯接口

  2. 编辑/boot/config.txt

    sudo nano /boot/config.txt

  3. 增加2行内容，并且ctrl+x保存退出

    # 针对2020-08-20-Raspberry Pi OS及更新版本
enable_uart=1
dtoverlay=disable-bt

    uart1

    # 针对2020-05-27-Raspberry Pi OS 以及更老版本的系统
enable_uart=1
dtoverlay=pi3-miniuart-bt

  4. 再次用ls -l /dev，查看串口0和串口1的指向关系。主要查看 serial0 -> ttyAMA0 的指向关系。如下图显示即位正确。

    uart2

  5. 重启树莓派

    sudo reboot

  6. 通过minicom串口软件，验证树莓派的串口0和UPS进行正常通信。

    sudo apt-get install minicom -y
sudo minicom -D /dev/ttyAMA0 -b 9600

    可以看到UPS发到树莓派上的协议数据包。由于Linux上'\n'只换行，不回到行首。所以minicom上看到的协议，会超出屏幕。这没有关系，我们后面可以利用python来过滤这些信息。

    提示1：退出minicom按键: Ctrl+A --> z --> x

    提示2：如未看到通讯协议包，说明UART连接不正确，参考通讯接口。或者是 serial0 -> ttyAMA0 指向不正确。按照以上步骤仔细检查。

  7. 进入程序目录/home/pi/UPSPACK_V3/UPS_GUI_py，双击 UPS_GUI_demo.py ，跳出一个对话框直接点击确认，即可运行Python GUI 程序。即可看到UPS目前的工作状况。

click

python_gui