醫用動(dòng)態(tài)電源管理模塊設計方案

引言

　　與其他便攜式電子產(chǎn)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(shí)間長(cháng)。電源管理就是為了減少系統在空閑時(shí)間的能量消耗，使嵌入式系統的有效能量供給率最大化，從而延長(cháng)電池的供電時(shí)間。為了延長(cháng)電池的使用時(shí)間，在硬件領(lǐng)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，在系統設計中，提出采用“動(dòng)態(tài)電源管理”概念，即把系統中不在使用的組件關(guān)閉或者進(jìn)入低功耗模式(待機模式)。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，即在運行時(shí)動(dòng)態(tài)地調節CPU頻率或者電壓。這樣可以在滿(mǎn)足瞬時(shí)性能的前提下，使得有效能量供給率最大化。

　　1 系統設計

　　整個(gè)儀器設計采用S3C44B0芯片和uClinux操作系統。S3C44B0芯片是業(yè)界應用較多、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]。系統正常工作在NORMAL狀態(tài)，當用戶(hù)無(wú)操作時(shí)段大于某一閾值時(shí)，則進(jìn)入IDLE狀態(tài)，用戶(hù)按假關(guān)機鍵進(jìn)入STOP狀態(tài)，這時(shí)系統功耗很低。為了便于管理，應用層對電源管理狀態(tài)進(jìn)行了細劃，引入電源管理的六個(gè)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(gè)儀器功耗最大的組件是背光(EL背光和鍵盤(pán)LED)、LCD和傳感器驅動(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，它們分別為系統各部分供電。

　　圖2 系統的電源管理框圖

　　Vcore為系統內核供電，供電電壓為1.8 V;Vio為系統的I/O口供電，供電電壓為3.3V;Backup為系統備份電池供電，電池電壓為3 V;Charge為充電電路，電池電壓為3.6V的充電電池;Vdriver為傳感器供電電路，電壓為±5 V;Vlcd為L(cháng)CD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(shí)，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(shí)，打開(kāi)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(shí)停止充電;當無(wú)外接電源時(shí)，電池為整個(gè)系統供電，CPU檢測電池電壓，當低于某一設定電壓時(shí)，決定報警還是關(guān)機，以保護電池。

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

　　Vdriver為傳感器提供±5 V的電壓，并保證電流為25±1 mA。

　　Vlcd為L(cháng)CD模塊提供二組電壓，其中3.3 V為L(cháng)CD顯示提供電壓，200VAC為L(cháng)CD的背光提供電壓。