嵌入式系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試詳解

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)以其體積小、可靠性高、功耗低、軟硬件集成度高等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)，而硬件電路中電源電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試則是系統(tǒng)硬件調(diào)試成功的關(guān)鍵。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合在焊接機(jī)控制系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試過程中碰到的一些問題，分析討論嵌入式系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

在基于嵌入式系統(tǒng)的焊接機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以AT91RM9200作為系統(tǒng)核心微處理器，依據(jù)控制系統(tǒng)要求外擴(kuò)了SDRAM、SRAM、Flash，鍵盤、液晶顯示電路可進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整、顯示并在出錯(cuò)時(shí)報(bào)警，RS485串行接口完成數(shù)據(jù)傳輸通信，可進(jìn)行紅外遙控操作。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。



圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源工作原理

AT91RM9200是完全圍繞ARM920T處理器構(gòu)建的系統(tǒng)芯片。它有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)的接口，從而成為低功耗、低成本的嵌入式工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。AT91RM9200提供了全功能電源管理控制器（PMC），優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的功耗，并支持普通、空閑、慢時(shí)鐘及Standby工作模式，提供不同的功耗等級(jí)及事件響應(yīng)延遲時(shí)間[1]。在空閑模式下，ARM處理器時(shí)鐘禁用并等待下一次中斷（或主復(fù)位）；慢時(shí)鐘模式是復(fù)位后選擇的模式，在此模式下主振蕩器及PLL關(guān)閉以降低功耗；Standby模式是慢時(shí)鐘模式與空閑模式的結(jié)合，它使能處理器以快速響應(yīng)喚醒事件，并保持較低的功耗。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)由外界直流電源供電并對(duì)電池充電，外電源斷開時(shí)自動(dòng)切換到內(nèi)部后備電池供電。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

AT91RM9200有5種類型的電源引腳：VDDCORE引腳用于向內(nèi)核供電，一般為1.8V；VDDPLL、VDDOSC分別給PLL或者振蕩器供電，一般為1.8V；VDDIOP、VDDIOM分別用于給外設(shè)I/O口線、USB收發(fā)器以及外部總線接口I/O口線供電，一般為3.3V。此外，系統(tǒng)的鍵盤、顯示電路的供電電壓需要＋5V電源。因此，本控制系統(tǒng)需要使用3組電源。通過對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的控制要求和性能進(jìn)行分析，確定本系統(tǒng)的負(fù)載電流大約為3A。因此，系統(tǒng)電源的穩(wěn)壓芯片選用了ON公司的LM2576系列穩(wěn)壓器，把外部直流電源穩(wěn)壓成系統(tǒng)需要的+3.3V和+5V電源。由于系統(tǒng)內(nèi)核電源供電要求1.8V，因此系統(tǒng)應(yīng)采用二級(jí)電源轉(zhuǎn)換電路。本文選用TI公司的微功耗、極低壓差PMOS穩(wěn)壓器（LDO芯片）TPS72518作為內(nèi)核電源轉(zhuǎn)換芯片，把+3.3V穩(wěn)壓成+1.8V，為處理器內(nèi)核提供工作電源。系統(tǒng)電源電路如圖2所示。圖2中給出了嵌入式系統(tǒng)電源去耦等PCB設(shè)計(jì)方法。C3、C6是穩(wěn)壓芯片的電解旁路電容，在電路中接入它們能使電路穩(wěn)定地工作；C2、C5、C8為輸出穩(wěn)定電容，對(duì)于減小輸出紋波、輸出噪聲以及負(fù)載電流變化的影響有較好的效果，根據(jù)穩(wěn)壓器自身的工作要求，電容分別選用10μF、100 μF的電解電容。



圖2 系統(tǒng)電源電路圖

基于32位微處理器的嵌入式系統(tǒng)性能在很大程度上取決于時(shí)鐘電路的穩(wěn)定性和可靠性，而時(shí)鐘電路的穩(wěn)定性主要取決于系統(tǒng)鎖相環(huán)（PLL）的穩(wěn)定性。因此，在PLL模擬部分供電電源應(yīng)采用濾波電路，以保證供電的穩(wěn)定性[2]。微處理器內(nèi)部時(shí)鐘、電源和復(fù)位控制等關(guān)鍵部件的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)各種運(yùn)行方式起著重要甚至是決定性的作用。因此，為了保證在各種運(yùn)行方式下所設(shè)置的參數(shù)不變，通常在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供后備電池的供電電路。如圖2所示，采用TI公司的電池充電器BQ24200作為系統(tǒng)電源的后備電池，系統(tǒng)正常工作時(shí)外部電源對(duì)它進(jìn)行充電，外部電源被切斷后由它提供系統(tǒng)電源，以便系統(tǒng)保存重要參數(shù)。


3 系統(tǒng)電源的調(diào)試

3.1 調(diào)試的內(nèi)容及步驟

一個(gè)比較大的嵌入式系統(tǒng)硬件電路，應(yīng)該分模塊進(jìn)行焊接、調(diào)試，避免遇到問題時(shí)無從下手檢查。由于系統(tǒng)中每個(gè)電路模塊都需要接入輸入電源，如果電源輸入不當(dāng)，則會(huì)使輸出結(jié)果不正確甚至燒壞集成電路，因此應(yīng)該首先安裝、調(diào)試系統(tǒng)電源模塊。系統(tǒng)電源電路模塊的成功調(diào)試是整個(gè)硬件電路調(diào)試成功的關(guān)鍵。

依據(jù)電路圖焊接好元器件之后，仔細(xì)檢查元器件是否焊接有誤，電路板是否存在虛焊或焊渣短路等現(xiàn)象，檢查無誤后進(jìn)行上電調(diào)試。由直流穩(wěn)壓電源發(fā)生器輸出電源接入系統(tǒng)電源模塊的輸入端口（POW1），輸入電源Vin調(diào)為＋6V，用示波器檢查系統(tǒng)電源的1.8 V、3.3 V、5V輸出端口，沒有電壓輸出。斷電重新檢查電路，發(fā)現(xiàn)電解電容C6已經(jīng)被燒成黑色，原因是C6的正負(fù)極性接反了。換了新電容焊接正確后上電調(diào)試，1.8 V、5V電壓輸出端正常，而3.3 V電壓輸出端電壓不到3V。查看穩(wěn)壓芯片LM2576的數(shù)據(jù)手冊(cè)之后，調(diào)節(jié)輸入電源Vin，同時(shí)檢測(cè)三組系統(tǒng)電源的電壓值，當(dāng)三組電源輸出正確時(shí)，輸入電壓Vin的值為6.7V左右。由于本控制系統(tǒng)的負(fù)載電流大約是3 A，因此在電路中加入負(fù)載電流為3A的負(fù)載電阻，以此來測(cè)試系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性。經(jīng)過調(diào)試，電容、電感等元件發(fā)熱正常，輸出電壓值正確。至此，系統(tǒng)電源模塊調(diào)試成功。

接下來逐步安裝、調(diào)試其他模塊電路。每安裝一個(gè)模塊就上電檢測(cè)，主要檢測(cè)系統(tǒng)電源電壓以及該模塊的輸入電壓、輸出結(jié)果是否正確。當(dāng)把整個(gè)系統(tǒng)硬件電路安裝好之后上電調(diào)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)電源不穩(wěn)定，即直流穩(wěn)壓輸入電源經(jīng)常掉電，致使系統(tǒng)電源工作不正常。由于系統(tǒng)電路比較多，檢查比較困難，問題一直沒有解決。在多次上電檢測(cè)、調(diào)試之后，發(fā)現(xiàn)電路中的一個(gè)電壓（升壓）轉(zhuǎn)換器冒煙——芯片被燒焦了。仔細(xì)查閱該芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)該芯片型號(hào)弄錯(cuò)了，正負(fù)反饋電壓引腳接反。把該芯片拆除之后，系統(tǒng)電源工作正常。

3.2 調(diào)試結(jié)果分析

對(duì)系統(tǒng)電源調(diào)試以及整個(gè)系統(tǒng)硬件電路的安裝調(diào)試過程進(jìn)行分析，結(jié)合在安裝、調(diào)試過程中碰到的問題，得出以下結(jié)論：

① 貼片電阻、電容器的基片大多采用受碰撞易破裂的陶瓷材料制作，而貼片式集成電路的引腳數(shù)量多、間距窄、硬度低，極易造成引腳焊錫短路、虛焊等故障，因此在拆卸、焊接時(shí)應(yīng)掌握控溫、預(yù)熱、輕觸等技巧。

② 在進(jìn)行電源模塊調(diào)試之前，必須仔細(xì)檢查元器件安裝是否有誤，用電壓表檢測(cè)電路是否存在虛焊或者焊渣短路等現(xiàn)象，確保電路的正確性，避免燒壞元器件。

③ 上電時(shí)如果沒有太大把握，可考慮使用帶限流功能的可調(diào)穩(wěn)壓電源，將穩(wěn)壓電源的電壓值慢慢往上調(diào)，檢測(cè)輸入電流（電壓）及輸出電壓，直到輸出電壓滿足要求。

④ 當(dāng)調(diào)試比較大的系統(tǒng)電路時(shí)，應(yīng)先安裝、調(diào)試系統(tǒng)電源，調(diào)試成功后再逐步安裝、調(diào)試其他模塊。每安裝好一個(gè)模塊就上電測(cè)試，確保無誤后再調(diào)試另一個(gè)模塊。

結(jié)語

本文以基于AT91RM9200的嵌入式控制系統(tǒng)為例，重點(diǎn)分析系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)思路、方法以及系統(tǒng)電源的安裝與調(diào)試過程，結(jié)合調(diào)試過程中碰到的問題，對(duì)嵌入式系統(tǒng)電路的調(diào)試方法及注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析。隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電源電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試尤為重要，本文的設(shè)計(jì)與調(diào)試思路值得借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] Atmel公司. AT91RM9200中文數(shù)據(jù)手冊(cè)[OL]. http://www.atmel.com/.

[2] 林學(xué)龍.MPC8XX系列處理器的嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2005(3).

[3] 田澤. 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[4] 馬忠梅,等. AT91系列ARM核微控制器結(jié)構(gòu)與開發(fā)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

作者：桂林工學(xué)院 鄭雙 王悅 桂林電子科技大學(xué) 朱名日