醫用動(dòng)態(tài)電源管理模塊設計

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?！　?/p>

　 　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。

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1.2.1 驅動(dòng)提供接口

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

　　◆ 系統供電方式接口,通過(guò)此接口驅動(dòng)和應用程序，可知道系統此時(shí)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(guò)此接口驅動(dòng)程序可檢測到系統的電量，應用程序由此可實(shí)現系統電池電量的顯示及電池電量報警等功能;

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

　　◆ 電池溫度檢測接口，通過(guò)此接口驅動(dòng)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(lái)計算電池的使用時(shí)間，同時(shí)在電池過(guò)熱(電池有問(wèn)題)時(shí)向用戶(hù)報警，提醒用戶(hù)關(guān)機或更換電池。

　　電源管理驅動(dòng)部分主要給上層提供如下接口。

　　(1)取得電池電量及系統用電情況

　　通過(guò)端口A(yíng)DC1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(guān)機電壓為3.4V。數據電壓關(guān)系：1024-5 V ;0-0 V。

　　電池充電管理由硬件實(shí)現，但在電池充電到4.2 V時(shí)，延時(shí)30min關(guān)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。在系統接有外接電源時(shí)，系統由外部電源供電。

　　(2)電池充電控制

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

　　5V電源只用于數據采集，非數據采集狀態(tài)下關(guān)閉5 V電源(在A(yíng)DC中實(shí)現)?？刂贫丝谑荊PC2，0為打開(kāi)，1為關(guān)閉。

　　(3)假關(guān)機

　　關(guān)機狀態(tài)下，只關(guān)閉鍵盤(pán)燈和液晶屏，但系統仍處于正常運行狀態(tài)。關(guān)閉鍵盤(pán)燈、液晶屏以及其他外設的工作由上層軟件實(shí)現。

　　1.2.2 程序流程

　　uClinux啟動(dòng)時(shí)調用module_init(Power_44b0_init)函數，進(jìn)而power_44b0_init被調用，進(jìn)行相關(guān)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(shí)器power_down_timer;

　　◆ 用戶(hù)程序通過(guò)power_44b0_open()函數打開(kāi)/dev/power設備，通過(guò)power_44b0_release()函數釋放/dev/power設備，通過(guò)power_44b0_ioctl()函數實(shí)現對設備的各種操作;

　　◆ 關(guān)機進(jìn)入stop模式，通過(guò)中斷處理函數power_key_44b0_interrupt()處理關(guān)機鍵對應的中斷，按下關(guān)機鍵后用power_down_timer計時(shí)，當3s后，power_down_timer對應的動(dòng)作power_down_timer_call()發(fā)生，從而進(jìn)入stop模式。

　　1.2.3 接口設計與接口函數實(shí)現

　　(1)數據結構說(shuō)明

　　電源和設備狀態(tài)由power_status_t的結果表示?！?/p>

　　(2)file_operations的值

　　電源管理模塊驅動(dòng)的file_operations具體值為：

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

　　功能說(shuō)明：設備ioctl的操作函數。

　　參數說(shuō)明：inode，文件指針，執行操作類(lèi)型，根據操作類(lèi)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(jìn)行不同的操作，電源設備的ioctl主要實(shí)現以下14種操作：

　　(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(shuō)明：響應關(guān)機鍵，進(jìn)入stop模式。

　　參數說(shuō)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：

　　2 總結

　　儀器配置2200mAh的鎳氫電池，經(jīng)過(guò)測試，電源管理模塊使整個(gè)系統的功耗降低了60%。實(shí)驗表明，利用動(dòng)態(tài)電源管理，可對便攜式醫療儀器實(shí)現有效電源管理。

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