作者：周寬久 李德華

        摘要：電源管理是嵌入式便攜式產(chǎn)品重要的功能部件，高效的電源管理方法能夠有效降低系統(tǒng)功耗，延長系統(tǒng)的待機(jī)時(shí)間和電池使用壽命，而僅僅通過電路設(shè)計(jì)優(yōu)化已不能有效解決待機(jī)時(shí)間短、電池使用壽命短等問題，因此需要引入軟件算法與硬件電路協(xié)同工作解決這些問題。本文提出動(dòng)態(tài)電源管理模型，并應(yīng)用于已完成的嵌入式血流參數(shù)檢測設(shè)計(jì)中，實(shí)踐證明，系統(tǒng)空閑時(shí)間的功耗得到大幅度降低，待機(jī)時(shí)間延長。

        關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)電源管理 S3C44B0X
　
        引 言

        與其他便攜式電子產(chǎn)品一樣，血流參數(shù)檢測儀要做到小巧纖薄，堅(jiān)固耐用，性能可靠，而且待機(jī)時(shí)間長。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要面對(duì)降低功耗及延長電池壽命的艱巨挑戰(zhàn)。電源管理模塊是系統(tǒng)非常重要的組成部分，它包括電池充電管理、電池電量檢測、CPU狀態(tài)轉(zhuǎn)換、LCD和鍵盤背光控制。本文將從硬件電路和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)這幾方面功能。

        大量實(shí)踐證明，系統(tǒng)處于空閑的時(shí)間占整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的一大部分。電源管理就是為了減少系統(tǒng)在空閑時(shí)間的能量消耗，使嵌入式系統(tǒng)的有效能量供給率最大化，從而延長電池的供電時(shí)間。為了延長電池的使用時(shí)間，在硬件領(lǐng)域，低功耗硬件電路的設(shè)計(jì)方法得到了廣泛應(yīng)用。然而僅僅利用低功耗硬件電路仍然不夠，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，提出采用“動(dòng)態(tài)電源管理”概念，即把系統(tǒng)中不在使用的組件關(guān)閉或者進(jìn)入低功耗模式（待機(jī)模式）。另外一種更加有效的方法就是動(dòng)態(tài)可變電壓DVS和動(dòng)態(tài)可變頻率DFS，即在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)CPU頻率或者電壓。這樣可以在滿足瞬時(shí)性能的前提下，使得有效能量供給率最大化。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        整個(gè)儀器設(shè)計(jì)采用S3C44B0芯片和uClinux操作系統(tǒng)。S3C44B0芯片是業(yè)界應(yīng)用較多、功耗較低、成本低的中檔產(chǎn)品。它提供五種工作狀態(tài)：NORMAL、SLOW、IDLE、STOP和SL_IDLE[1]。系統(tǒng)正常工作在NORMAL狀態(tài)，當(dāng)用戶無操作時(shí)段大于某一閾值時(shí)，則進(jìn)入IDLE狀態(tài)，用戶按假關(guān)機(jī)鍵進(jìn)入STOP狀態(tài)，這時(shí)系統(tǒng)功耗很低。為了便于管理，應(yīng)用層對(duì)電源管理狀態(tài)進(jìn)行了細(xì)劃，引入電源管理的六個(gè)狀態(tài)：數(shù)據(jù)采集狀態(tài)、正常工作狀態(tài)、準(zhǔn)備狀態(tài)、休息狀態(tài)、IDLE狀態(tài)和STOP狀態(tài)。其中，IDLE狀態(tài)和STOP狀態(tài)與芯片提供的內(nèi)容相同，由應(yīng)用程序負(fù)責(zé)狀態(tài)的遷移。整個(gè)儀器功耗最大的組件是背光（EL背光和鍵盤LED）、LCD和傳感器驅(qū)動(dòng)，其次才是CPU，電源管理狀態(tài)遷移如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的電源管理狀態(tài)遷移

        1.1 電源管理模型

        圖2是電源管理的原理框圖，其中包含6個(gè)模塊：Vcore，Vio，Backup，Charge，Vdriver和Vlcd，它們分別為系統(tǒng)各部分供電。

        Vcore為系統(tǒng)內(nèi)核供電，供電電壓為1.8 V；Vio為系統(tǒng)的I/O口供電，供電電壓為3.3 V；Backup為系統(tǒng)備份電池供電，電池電壓為3 V；Charge為充電電路，電池電壓為3.6 V的充電電池；Vdriver為傳感器供電電路，電壓為±5 V；Vlcd為LCD模塊供電，供電電壓為3.3V和200VCA。

        電池充電的電路原理為：當(dāng)CPU檢測到有外接電源時(shí)，CPU使用ADC檢測電池二端的電壓，并判斷是否需要充電；當(dāng)電池兩端電壓低于設(shè)定值時(shí)，打開Charge電路給電池充電，并檢測充電電流，以保證電池安全有效的充電，充電至設(shè)定值時(shí)停止充電；當(dāng)無外接電源時(shí)，電池為整個(gè)系統(tǒng)供電，CPU檢測電池電壓，當(dāng)?shù)陀谀骋辉O(shè)定電壓時(shí)，決定報(bào)警還是關(guān)機(jī)，以保護(hù)電池。

        Vcore和Vio分別為系統(tǒng)的內(nèi)核和I/O口供電，同時(shí)Vio也為存儲(chǔ)器供電。Backup電池為系統(tǒng)的備份電池。

        Vdriver為傳感器提供±5 V的電壓，并保證電流為25±1 mA。

        Vlcd為LCD模塊提供二組電壓，其中3.3 V為LCD顯示提供電壓，200VAC為LCD的背光提供電壓。

圖2 系統(tǒng)的電源管理框圖