S3C2440A嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)設(shè)計

引 言
    電源管理(Power Management，PM)是電子系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)。由于采用了先進的電源管理技術(shù)，移動電話、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)，移動電話的通話時間可能不超過2 min。隨著人們對嵌入式手持終端設(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，工作時間也在不斷延長，使嵌入式手持終端電源系統(tǒng)管理面臨越來越大的壓力。如何設(shè)計出性能穩(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)備開發(fā)的難點之一。本文重點介紹基于微處理器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是專門為各類手持終端而設(shè)計的高性能嵌入式微處理器，主頻可達400 MHz，具有外圍接口豐富、體積小、功耗低等特點。
    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)計中主要針對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也需專門的驅(qū)動電路。其余部分(如GPRS、無線模塊、音頻等)都為3．3 V。
1．2 休眠模式下供電需求
    CPU 90％以上的時間處于休眠模式，休眠狀態(tài)下電源管理的好壞對于手持終端工作時間的長短起著決定性作用。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。實時時鐘需要在休眠模式和系統(tǒng)關(guān)機時依然對其供電。PWREN為控制信號，在CPU進入睡眠后，PWREN為低電平，可通過此引腳關(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控制外設(shè)控制器的開關(guān)來達到節(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都用到。通過設(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。因為如果不將其關(guān)閉，即使它們沒有處于工作狀態(tài)，仍然會消耗電流。
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)時間超過某一閾值(該時間間隔可由系統(tǒng)提供的計時模塊設(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)請求到達時再喚醒系統(tǒng)，則執(zhí)行任務(wù)。通過這種方式達到降低系統(tǒng)設(shè)備功耗的目的。

3 電源管理系統(tǒng)設(shè)計
3．1 硬件設(shè)計
    嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)硬件設(shè)計必須同時滿足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Buck變換器后，輸出3．3 V供給I／O、VDDalive等端口；3．3 V經(jīng)過LDO變換器輸出1．2 V，為休眠時CPU內(nèi)部能量管理模塊供電。電池電壓經(jīng)過LDO變換器輸出3．3 V，直接給實時時鐘RTC供電，只要手持終端電池電壓大于3．3 V，系統(tǒng)RTC就會工作。使用LDO變換器為RTC供電是因為輸入、輸出電壓差別不大，效率較高。但是，CPU的1．2 V電壓通過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個子模塊：電池管理、電壓管理和負載管理。

    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關(guān)閉充電。
   [!--empirenews.page--] 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)都必須通過休眠控制部分進行控制，在系統(tǒng)休眠時關(guān)閉各個不使用模塊的電源。所有在休眠模式下需要供電的模塊均不通過休眠控制，直接通過電池電壓變換后供電，或者通過主電源直接或間接變換得到。負載管理：在不使用模塊時，通過GPIO口關(guān)閉可降低功耗。
3．2 軟件設(shè)計
    為了實現(xiàn)節(jié)能，電源管理系統(tǒng)必須通過軟件控制系統(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)中的各個部件(包括處理器和所有外設(shè))，并對具體的電源管理動作進行封裝。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)運行模式管理，實現(xiàn)系統(tǒng)運行模式的切換，如休眠喚醒、空閑忙碌等功能。
    ◆RTC。系統(tǒng)時鐘和RTC時鐘的維護等。
    ②電池管理：監(jiān)測電池電量，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，每一個設(shè)備都需要配合系統(tǒng)的動作進行休眠喚醒。如果設(shè)備在系統(tǒng)要休眠時處于忙碌狀態(tài)，它可以拒絕系統(tǒng)的休眠要求，從而阻止整個系統(tǒng)進入休眠。
    (2)應(yīng)用層
    最上層，實現(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。
    為了降低策略實現(xiàn)的復(fù)雜度，增強策略調(diào)整的靈活性，電源管理策略主要在應(yīng)用層，利用QTopia的事件管理和定時器功能來實現(xiàn)。電源管理應(yīng)用程序位于系統(tǒng)的最上端，直接與用戶進行交互，用戶可以在這些應(yīng)用程序中對電源管理策略進行配置。這些應(yīng)用程序包括電池管理程序、背光調(diào)整程序、超時時間設(shè)定程序、開關(guān)機程序等。本文只介紹電池管理程序的實現(xiàn)。 
3．2．2 電池管理程序?qū)崿F(xiàn)
    鋰離子電池檢測與充電保護電路芯片采用DS2760。CPU通過DS2760的DQ引腳讀取內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，獲得電池的運行狀態(tài)，以便上層的應(yīng)用程序?qū)﹄姵剡M行管理。底層驅(qū)動程序主要實現(xiàn)設(shè)備的注冊等功能。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。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)功耗測試
    系統(tǒng)功耗的高低代表系統(tǒng)運行時間和待機時間的長短，反映電源管理系統(tǒng)性能的高低。為了評估手持終端整體功耗以及各個主要模塊的功耗，需要對系統(tǒng)在不同負載情況下的電池輸出電流進行測量。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測數(shù)據(jù)。內(nèi)部電池供電為負值。

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

結(jié) 語
    本文以實現(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，設(shè)計了基于S3C2440A的嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)，對于其他嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的參考價值。