S3C2440A嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言
??? 電源管理(Power Management，PM)是電子系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)。由于采用了先進(jìn)的電源管理技術(shù)，移動(dòng)電話、PDA等產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用。如果不采用完善的電源管理技術(shù)，移動(dòng)電話的通話時(shí)間可能不超過(guò)2 min。隨著人們對(duì)嵌入式手持終端設(shè)備功能水平要求的不斷提高，手持終端的功耗也在不斷增高。與之相矛盾的是，手持終端的尺寸卻在不斷縮小，工作時(shí)間也在不斷延長(zhǎng)，使嵌入式手持終端電源系統(tǒng)管理面臨越來(lái)越大的壓力。如何設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定、功耗低的電源管理系統(tǒng)已經(jīng)成為嵌入式手持終端設(shè)備開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)之一。本文重點(diǎn)介紹基于微處理器S3C2440A的手持終端電源管理系統(tǒng)。

1 供電需求
??? 手持終端的CPU采用三星公司的ARM920T內(nèi)核處理器S3C2440A。S3C2440A是專門(mén)為各類手持終端而設(shè)計(jì)的高性能嵌入式微處理器，主頻可達(dá)400 MHz，具有外圍接口豐富、體積小、功耗低等特點(diǎn)。
??? S3C2440A有4種工作模式：正常模式、慢模式、空閑模式、睡眠模式。4種模式之間可以相互轉(zhuǎn)換，區(qū)別主要在于處理器工作頻率、工作電壓和設(shè)備組合的不同。本設(shè)計(jì)中主要針對(duì)正常模式和睡眠模式采用不同的電源管理策略。
1．1 正常模式下供電需求
??? 在正常模式下，CPU以及外圍部件都需要供電。外圍部件主要包括Flash、SDRAM、GPRS、GPS、無(wú)線模塊、LCD、觸摸屏等部分。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

??? CPU電壓分為2組：核心電壓為1．2 V；I／O引腳電壓為3．3 V。USB和GPS供電電壓為5 V。LCD的供電電路比較復(fù)雜，需要專用的驅(qū)動(dòng)芯片為其供電。由于現(xiàn)在幾乎所有的手持終端都是彩屏，作為調(diào)節(jié)LCD背光亮度的LED也需專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路。其余部分(如GPRS、無(wú)線模塊、音頻等)都為3．3 V。
1．2 休眠模式下供電需求
??? CPU 90％以上的時(shí)間處于休眠模式，休眠狀態(tài)下電源管理的好壞對(duì)于手持終端工作時(shí)間的長(zhǎng)短起著決定性作用。圖2是手持終端在休眠模式下供電需求。

??? 休眠模式下，外部需要通過(guò)VDDalive端口為CPU內(nèi)部能量控制模塊提供1．2 v／1．3 V電壓，為存儲(chǔ)器接口電源VDDMOP、ADC端口電源VDD_ADC、I／O端口電源VDDOP提供3．3 V電壓。實(shí)時(shí)時(shí)鐘需要在休眠模式和系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)依然對(duì)其供電。PWREN為控制信號(hào)，在CPU進(jìn)入睡眠后，PWREN為低電平，可通過(guò)此引腳關(guān)閉睡眠模式下不使用的模塊。

2 電源管理策略
2．1 正常模式下電源管理策略
??? 正常模式下的電源管理主要是通過(guò)控制外設(shè)控制器的開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到節(jié)約能量的目的。S3C2440A外設(shè)接口控制器豐富，但這些控制器不一定同時(shí)都用到。通過(guò)設(shè)置寄存器可以有選擇地關(guān)閉不需要的功能模塊，盡量將不使用的控制器關(guān)閉，盡可能節(jié)省功耗。因?yàn)槿绻粚⑵潢P(guān)閉，即使它們沒(méi)有處于工作狀態(tài)，仍然會(huì)消耗電流。
2．2 休眠模式下電源管理策略
??? 休眠模式下，主要采用Time-out策略，如圖3所示。系統(tǒng)完成所有任務(wù)后，如果持續(xù)時(shí)間超過(guò)某一閾值(該時(shí)間間隔可由系統(tǒng)提供的計(jì)時(shí)模塊設(shè)定)，電源管理模塊將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至休眠狀態(tài)，直到有新任務(wù)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)再喚醒系統(tǒng)，則執(zhí)行任務(wù)。通過(guò)這種方式達(dá)到降低系統(tǒng)設(shè)備功耗的目的。

3 電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 硬件設(shè)計(jì)
??? 嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足CPU正常模式和休眠模式的供電需求。
3．1．1 休眠模式下供電電路
??? 休眠模式下供電電路如圖4所示。電池的電源經(jīng)過(guò)Buck變換器后，輸出3．3 V供給I／O、VDDalive等端口；3．3 V經(jīng)過(guò)LDO變換器輸出1．2 V，為休眠時(shí)CPU內(nèi)部能量管理模塊供電。電池電壓經(jīng)過(guò)LDO變換器輸出3．3 V，直接給實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC供電，只要手持終端電池電壓大于3．3 V，系統(tǒng)RTC就會(huì)工作。使用LDO變換器為RTC供電是因?yàn)檩斎?、輸出電壓差別不大，效率較高。但是，CPU的1．2 V電壓通過(guò)Buck變換器和LDO變換器得到，LDO的效率雖然不到50％，但比Buck變換器高。

3．1．2 正常模式下供電電路
??? 正常模式下供電電路如圖5所示。從圖中可看出，電路共包括3個(gè)子模塊：電池管理、電壓管理和負(fù)載管理。

??? 電池管理：主要由鋰離子充電電路和充電監(jiān)控電路組成。外接直流電源通過(guò)充電電路為鋰離子充電電池充電，充電完畢后充電電路自動(dòng)關(guān)閉充電。
???電壓管理：所有在睡眠模式下不需要提供電源的模塊，其電源供應(yīng)都必須通過(guò)休眠控制部分進(jìn)行控制，在系統(tǒng)休眠時(shí)關(guān)閉各個(gè)不使用模塊的電源。所有在休眠模式下需要供電的模塊均不通過(guò)休眠控制，直接通過(guò)電池電壓變換后供電，或者通過(guò)主電源直接或間接變換得到。負(fù)載管理：在不使用模塊時(shí)，通過(guò)GPIO口關(guān)閉可降低功耗。
3．2 軟件設(shè)計(jì)
??? 為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能，電源管理系統(tǒng)必須通過(guò)軟件控制系統(tǒng)的功耗。
3．2．1 總體架構(gòu)
??? 電源管理系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)如圖6所示。

??? 電源管理軟件設(shè)計(jì)可分為：操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層。
??? (1)操作系統(tǒng)層
??? 電源管理的功能執(zhí)行層，它管理系統(tǒng)中的各個(gè)部件(包括處理器和所有外設(shè))，并對(duì)具體的電源管理動(dòng)作進(jìn)行封裝。操作系統(tǒng)層的電源管理有3方面內(nèi)容。
??? ①處理器電源管理：執(zhí)行由處理器完成的電源管理任務(wù)。包括以下3方面：
??? ◆DVS。動(dòng)態(tài)核電壓和頻率調(diào)整，以及系統(tǒng)總線的頻率調(diào)整。
??? ◆模式管理。系統(tǒng)運(yùn)行模式管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行模式的切換，如休眠喚醒、空閑忙碌等功能。
??? ◆RTC。系統(tǒng)時(shí)鐘和RTC時(shí)鐘的維護(hù)等。
??? ②電池管理：監(jiān)測(cè)電池電量，響應(yīng)電池狀態(tài)的變化(充放電)。
??? ③設(shè)備電源管理：包括系統(tǒng)中的所有設(shè)備。在系統(tǒng)睡眠喚醒時(shí)，每一個(gè)設(shè)備都需要配合系統(tǒng)的動(dòng)作進(jìn)行休眠喚醒。如果設(shè)備在系統(tǒng)要休眠時(shí)處于忙碌狀態(tài)，它可以拒絕系統(tǒng)的休眠要求，從而阻止整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入休眠。
??? (2)應(yīng)用層
??? 最上層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電源管理策略。電源管理策略與操作系統(tǒng)層進(jìn)行交互，從操作系統(tǒng)層獲得系統(tǒng)的狀態(tài)信息，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)采取相應(yīng)措施，并將自己的決定通知操作系統(tǒng)，調(diào)用相應(yīng)功能接口執(zhí)行電源管理。
??? 為了降低策略實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，增強(qiáng)策略調(diào)整的靈活性，電源管理策略主要在應(yīng)用層，利用QTopia的事件管理和定時(shí)器功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。電源管理應(yīng)用程序位于系統(tǒng)的最上端，直接與用戶進(jìn)行交互，用戶可以在這些應(yīng)用程序中對(duì)電源管理策略進(jìn)行配置。這些應(yīng)用程序包括電池管理程序、背光調(diào)整程序、超時(shí)時(shí)間設(shè)定程序、開(kāi)關(guān)機(jī)程序等。本文只介紹電池管理程序的實(shí)現(xiàn)。?
3．2．2 電池管理程序?qū)崿F(xiàn)
??? 鋰離子電池檢測(cè)與充電保護(hù)電路芯片采用DS2760。CPU通過(guò)DS2760的DQ引腳讀取內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，獲得電池的運(yùn)行狀態(tài)，以便上層的應(yīng)用程序?qū)﹄姵剡M(jìn)行管理。底層驅(qū)動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的注冊(cè)等功能。上層應(yīng)用程序主要包括ds2760．c和Qtopia圖形界面程序light-and-power。ds2760．c主要完成電池電壓、電流的讀寫(xiě)。例如讀電壓由函數(shù)Read_Voltage完成，代碼如下：

??? light_and_power程序完成圖形界面的電源管理應(yīng)用于。程序流程如圖7所示。

4 系統(tǒng)功耗測(cè)試
??? 系統(tǒng)功耗的高低代表系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和待機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短，反映電源管理系統(tǒng)性能的高低。為了評(píng)估手持終端整體功耗以及各個(gè)主要模塊的功耗，需要對(duì)系統(tǒng)在不同負(fù)載情況下的電池輸出電流進(jìn)行測(cè)量。表1是系統(tǒng)正常模式、在不同模塊配置下的鋰離子電池供電電流值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。內(nèi)部電池供電為負(fù)值。

??? 結(jié)論：正常情況下，如果所有模塊都開(kāi)啟，手持終端整體功耗電流約為0．496 A，基本滿足設(shè)計(jì)的要求。LCD、GPS、GPRS三個(gè)部分約占總功耗的52．6％。

結(jié) 語(yǔ)
??? 本文以實(shí)現(xiàn)功耗低、體積小、性能穩(wěn)定的嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于S3C2440A的嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)，對(duì)于其他嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。