引 言

與其他便攜式電子產品一樣，血流參數檢測儀要做到小巧纖薄，堅固耐用，性能可靠，而且待機時間長。因此，系統(tǒng)設計要面對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)轉換、LCD和鍵盤背光控制。本文將從硬件電路和軟件設計兩個角度實現(xiàn)這幾方面功能。

大量實踐證明，系統(tǒng)處于空閑的時間占整個運行時間的一大部分。電源管理就是為了減少系統(tǒng)在空閑時間的能量消耗，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間。為了延長電池的使用時間，在硬件領域，低功耗硬件電路的設計方法得到了廣泛應用。然而僅僅利用低功耗硬件電路仍然不夠，在系統(tǒng)設計中，提出采用“動態(tài)電源管理”概念，即把系統(tǒng)中不在使用的組件關閉或者進入低功耗模式(待機模式)。另外一種更加有效的方法就是動態(tài)可變電壓DVS和動態(tài)可變頻率DFS，即在運行時動態(tài)地調節(jié)CPU頻率或者電壓。這樣可以在滿足瞬時性能的前提下，使得有效能量供給率最大化。

1 系統(tǒng)設計

整個儀器設計采用S3C44B0芯片和uClinux操作系統(tǒng)。S3C44B0芯片是業(yè)界應用較多、功耗較低、成本低的中檔產品。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)，當用戶無操作時段大于某一閾值時，則進入IDLE狀態(tài)，用戶按假關機鍵進入STOP狀態(tài)，這時系統(tǒng)功耗很低。為了便于管理，應用層對電源管理狀態(tài)進行了細劃，引入電源管理的六個狀態(tài)：數據采集狀態(tài)、正常工作狀態(tài)、準備狀態(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)與芯片提供的內容相同，由應用程序負責狀態(tài)的遷移。整個儀器功耗最大的組件是背光(EL背光和鍵盤LED)、LCD和傳感器驅動，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CPU檢測到有外接電源時，CPU使用ADC檢測電池二端的電壓，并判斷是否需要充電;當電池兩端電壓低于設定值時，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，充電至設定值時停止充電;當無外接電源時，電池為整個系統(tǒng)供電，CPU檢測電池電壓，當低于某一設定電壓時，決定報警還是關機，以保護電池。

Vcore和Vio分別為系統(tǒng)的內核和I/O口供電，同時Vio也為存儲器供電。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

1.2 驅動程序設計

1.2.1 驅動提供接口

系統(tǒng)硬件電源管理模塊為系統(tǒng)電源管理功能的實現(xiàn)提供必要的硬件基礎，并為驅動程序提供如下編程接口：

◆ 系統(tǒng)供電方式接口,通過此接口驅動和應用程序，可知道系統(tǒng)此時是由電池供電還是由外接電源供電;

◆ 電池電量檢測接口，通過此接口驅動程序可檢測到系統(tǒng)的電量，應用程序由此可實現(xiàn)系統(tǒng)電池電量的顯示及電池電量報警等功能;

◆ 電池充電狀態(tài),當系統(tǒng)使用外接電源供電時，可對系統(tǒng)中的電池充電，通過此接口驅動可獲取電池的充電狀態(tài)(正在充電或電池已充滿);

◆ 電池溫度檢測接口，通過此接口驅動程序可檢測到電池的溫度，電池溫度和電池電量相結合可用來計算電池的使用時間，同時在電池過熱(電池有問題)時向用戶報警，提醒用戶關機或更換電池。

電源管理驅動部分主要給上層提供如下接口。

(1) 取得電池電量及系統(tǒng)用電情況

通過端口ADC1讀取電池電壓。上限電壓為4.2 V，下限電壓為3.6 V ，報警電壓為3.6 V，強行關機電壓為3.4 V。數據電壓關系：1024-5 V ;0-0 V。

電池充電管理由硬件實現(xiàn)，但在電池充電到4.2 V時，延時30 min關閉充電功能(應用層完成)。

控制端口為GPC1，1為外部電源供電，0為電池供電。在系統(tǒng)接有外接電源時，系統(tǒng)由外部電源供電。

(2) 電池充電控制

控制端口為GPA9，0為充電，1為關閉充電，當電池電源低于3.8 V時，GPA9設為0，開始充電(應用層完成)。

5 V電源只用于數據采集，非數據采集狀態(tài)下關閉5 V電源(在ADC中實現(xiàn))。控制端口是GPC2，0為打開，1為關閉。

(3) 假關機

關機狀態(tài)下，只關閉鍵盤燈和液晶屏，但系統(tǒng)仍處于正常運行狀態(tài)。關閉鍵盤燈、液晶屏以及其他外設的工作由上層軟件實現(xiàn)。

1.2.2 程序流程

uClinux啟動時調用module_init(power_44b0_init)函數，進而power_44b0_init被調用，進行相關的初始化：

◆ power0_44b0_reg_init()初始化硬件寄存器;

◆ power_44b0_device_register()注冊power_44b0_fops以及中斷處理函數power_key_44b0_interrupt()，并且初始化定時器power_down_timer;

◆ 用戶程序通過power_44b0_open()函數打開/dev/power設備，通過power_44b0_release()函數釋放/dev/power設備，通過power_44b0_ioctl()函數實現(xiàn)對設備的各種操作;

◆ 關機進入stop模式，通過中斷處理函數power_key_44b0_interrupt()處理關機鍵對應的中斷，按下關機鍵后用power_down_timer計時，當3 s后，power_down_timer對應的動作power_down_timer_call()發(fā)生，從而進入stop模式。

1.2.3 接口設計與接口函數實現(xiàn)

(1)數據結構說明

電源和設備狀態(tài)由power_status_t的結果表示。

typedef struct {

unsigned long battery_quantity;//電池電量

//目前只提供電池電壓

unsigned long device_status;//系統(tǒng)中各設備的運行狀態(tài)

//Bit0：系統(tǒng)供電方式，0：電池;1：外接電源

//Bit1：LCD狀態(tài)，0：正常運行;1：關閉

//Bit2：LCD背光狀態(tài),0：打開;2：關閉

unsigned char system_status; //系統(tǒng)運行狀態(tài)：0為正常模

//式，1為STOP模式

} power_status_t

(2)file_operations的值

電源管理模塊驅動的file_operations具體值為：

struct file_operations power_44b0_fops={

NULL,　　　　　　//struct module *owner;

NULL,　　　　　　//llseek

NULL,　　　　　　//read

NULL,　　　　　　//write

NULL,　　　　　　//readdir

NULL,　　　　　　//poll

power_44b0_ioctl,//ioctl，對上層調用ioctl的實現(xiàn)

NULL,　　　　　　//test_mmap

power_44b0_open, //open，打開設備

NULL,　　　　　　//flush

power_44b0_release,//release，關閉設備

};

(3)power_44b0_ioctl()函數設計

函數原形：static int power_44b0_ioctl (struct inode *inode, struct file *filp,unsigned int cmd, unsigned int arg)。

功能說明：設備ioctl的操作函數。

參數說明：inode，文件指針，執(zhí)行操作類型，根據操作類型指定不同參數。

返回值：0表示成功，否則返回ENOTTY。

判斷cmd的值，根據cmd的不同值進行不同的操作，電源設備的ioctl主要實現(xiàn)以下14種操作：

GET_POWER_STATUS，獲得由power_status_t結構表示的電源與設備狀態(tài);

SET_BATTARY_CHARGE_OFF，通過寫GPA9寄存器來停止充電;

SET_BATTARY_CHARGE_ON，寫GPA9寄存器來開始充電;

GET_SYS_STAT，獲得當前系統(tǒng)狀態(tài);

START_VOLTAGE_CONVERSION，通道ADC1開始轉換電源電壓;

STOP_VOLTAGE_CONVERSION，通道ADC1停止轉換電源電壓;

GET_CHARGE_STATUS，取得當前可否充電的狀態(tài);

SYS_ENTER_STOP_MODE，用戶程序使系統(tǒng)進入stop模式接口，調用power_down_timer_call()函數來實現(xiàn);

SYS_ENTER_IDLE_MODE，用戶程序使系統(tǒng)進入idle模式的接口，調用enter_IDLE_mode()函數實現(xiàn);

SYS_ENTER_SL_IDLE_MODE，用戶程序使系統(tǒng)進入sl_idle模式的接口，調用enter_SL_IDLE_mode()函數實現(xiàn);

ENABLE_LCD，調用enable_lcd()使LCD工作;

DISABLE_LCD，調用disable_lcd()使LCD停止工作;

ENANLE_LED，鍵盤燈有效工作;

DISABLE_LED，停止鍵盤燈工作。

(4)power_key_44b0_interrupt

函數原形：static void power_key_44b0_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) 。

功能說明：響應關機鍵，進入stop模式。

參數說明：中斷號，設備id，寄存器結構。

下面介紹函數的算法描述。

在正常狀態(tài)下：

if (按下開關機鍵)

{ 設置開關機鍵狀態(tài)為按下;

關機計時器開始計時，計時結束時進入stop模式;

設置開關機鍵產生中斷方式為上升沿觸發(fā)中斷;

}

else//開關機鍵抬起

{ 設置開關機鍵狀態(tài)為抬起;

使關機定時器失效;

設置開關機鍵產生中斷方式為下降沿觸發(fā)中斷;

}

在關機狀態(tài)下：

if (按下開關機鍵)

{ 設置開關機鍵狀態(tài)為按下;

開機計時器開始計時，計時結束時進入stop模式;

設置開關機鍵產生中斷方式為上升沿觸發(fā)中斷;

}

else//開關機鍵抬起

{ 設置開關機鍵狀態(tài)為抬起;

使開機定時器失效;

設置開關機鍵產生中斷方式為下降沿觸發(fā)中斷。

}

2 總結

儀器配置2200 mAh的鎳氫電池，經過測試，電源管理模塊使整個系統(tǒng)的功耗降低了60%。系統(tǒng)在數據采集狀態(tài)下，由電池的輸出電流為220mA左右;如果處于IDLE狀態(tài)，則電流總消耗為80mA;在STOP狀態(tài)(關閉ARM和所有設備，維持一個32 768 Hz的時鐘)，電流可降到10mA。實驗表明，利用動態(tài)電源管理，可對便攜式醫(yī)療儀器實現(xiàn)有效電源管理。