S3C2440A嵌入式手持终端电源管理系统设计_蔡理金

技术纵横
TEC HNO LOG Y REVIEW
S3C2440A 嵌入式手持终端电源管理系统设计
□通信指挥学院 蔡理金　王逢东　
王丽洁　马东堂　摘　要
如何在手持终端体积不扩大的情况下为其提供稳定可靠的电源,已经成为嵌入式手持终端发展所面临的
难点之一。

为了实现功耗低、体积小、性能稳定的嵌入式手持终端电源管理系统,本文设计了基于
S3C2440A 的手持终端电源管理系统。

分析了正常模式和休眠模式下的供电需求和电源管理策略;并给出两种模式下的供电电路及软件设计。

功耗测试表明,系统满足设计要求。

　关键词
S3C2440A 嵌入式系统　手持终端　电源管理
引　言
电源管理(Power M anagement ,PM )是电子系统中必不可少的技术。

由于采用了先进的电源管理技术,移动电话、PDA 等产品得到了广泛的应用。

如果不采用完善的电源管理技术,移动电话的通话时间可能不超过2min 。

随着人们对嵌入式手持终端设备功能水平要求的不
断提高,手持终端的功耗也在不断增高。

与之相矛盾的是,手持终端的尺寸却在不断缩小,工作时间也在不断延长,使嵌入式手持终端电源系统管理面临越来越大的压力。

如何设计出性能稳定、功耗低的电源管理系统已经成为嵌入式手持终端设备开发的难点之一。

本文重点介绍基于微处理器S3C2440A 的手持终端电源管理系统。

1　供电需求
手持终端的CP U 采用三星公司的ARM 920T 内核处理器S3C2440A 。

S3C2440A 是专门为各类手持终端而设计的高性能嵌入式微处理器,主频可达400M Hz ,具有外围接口丰富、体积小、功耗低等特点。

S3C2440A 有4种工作模式:正常模式、慢模式、空闲模式、睡眠模式。

4种模式之间可以相互转换,区别主要在于处理器工作频率、工作电压和设备组合的不同。

本设计中主要针对正常模式和睡眠模式采用不同的电源管理策略。

1.1　正常模式下供电需求
在正常模式下,CPU 以及外围部件都需要供电。

外围部件主要包括Flash 、SD RA M 、GP RS 、GPS 、无线模块、LCD 、触摸屏等部分。

硬件结构如图1所示。

图1　手持终端硬件结构框图
CPU 电压分为2组:核心电压为1.2V ;I /O 引脚电压为3.3V 。

USB 和G PS 供电电压为5V 。

LCD 的供电电路比较复杂,需要专用的驱动芯片为其供电。

由于现在几乎所有的手持终端都是彩屏,作为调节LCD 背光亮度的LED 也需专门的驱动电路。

其余部分(如GPRS 、无线模块、音频等)都为3.3V 。

1.2　休眠模式下供电需求
CPU 90%以上的时间处于休眠模式,休眠状态下电源管理的好坏对于手持终端工作时间的长短起着决定性作用。

图2是手持终端在休眠模式下供电需求。

图2　休眠模式下供电需求
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休眠模式下,外部需要通过VDDalive端口为CPU内
部能量控制模块提供1.2V/1.3V电压,为存储器接口电
源VDDMOP、ADC端口电源VDD ADC、I/O端口电源
VDDOP提供3.3V电压。

实时时钟需要在休眠模式和系
统关机时依然对其供电。

PWREN为控制信号,在CPU
进入睡眠后,PWREN为低电平,可通过此引脚关闭睡眠
模式下不使用的模块。

2　电源管理策略
2.1　正常模式下电源管理策略
正常模式下的电源管理主要是通过控制外设控制器
的开关来达到节约能量的目的。

S3C2440A外设接口控
制器丰富,但这些控制器不一定同时都用到。

通过设置寄
存器可以有选择地关闭不需要的功能模块,尽量将不使用
的控制器关闭,尽可能节省功耗。

因为如果不将其关闭,
即使它们没有处于工作状态,仍然会消耗电流。

2.2　休眠模式下电源管理策略
休眠模式下,主要采用Time-out策略,如图3所示。

系统完成所有任务后,如果持续时间超过某一阈值(该时间
间隔可由系统提供的计时模块设定),电源管理模块将系统
转换至休眠状态,直到有新任务请求到达时再唤醒系统,则
执行任务。

通过这种方式达到降低系统设备功耗的目的。

图3　Tim e-out策略
3　电源管理系统设计
3.1　硬件设计
嵌入式手持终端电源管理系统硬件设计必须同时满
足CP U正常模式和休眠模式的供电需求。

3.1.1　休眠模式下供电电路
休眠模式下供电电路如图4所示。

电池的电源经过
Buck变换器后,输出3.3V供给I/O、VDDalive等端口;3.3V
经过LDO变换器输出1.2V,为休眠时CPU内部能量管理模
块供电。

电池电压经过LDO变换器输出3.3V,直接给实时
时钟RTC供电,只要手持终端电池电压大于3.3V,系统
RTC就会工作。

使用LDO变换器为RTC供电是因为输入、
图4　休眠模式下供电电路
输出电压差别不大,效
率较高。

但是,CPU的
1.2V电压通过Buc k变
换器和LDO变换器得
到,LDO的效率虽然不
到50%,但比Buck变
换器高。

3.1.2　正常模式下供电电路
正常模式下供电电路如图5所示。

从图中可看出,
电路共包括3个子模块:电池管理、电压管理和负载
管理。

图5正常模式下供电电路
中颖电子8位Flash MCU产品发布会圆满闭幕中颖电子于2009年7月8日和7月15日分别在杭州的浙江宾馆和北京的丽亭华苑酒店举行了中颖电子8位Flash M C U产品发布会,并取得了圆满的成功。

此次发布会共邀请了消费电子、小家电、大家电、工业控制、仪器仪表、医疗保健、汽车电子等行业的200多位工程师,以及科研机构和大专院校的师生参加。

中颖电子总经理傅启明先生致辞。

他在向到场的各位嘉宾表示衷心的感谢后,简明扼要地介绍了中颖的基本情况及经营理念。

随后,中颖电子M CU产品线销售经理向延章先生发表了《中颖现有M CU产品及中颖电子的竞争优势》的演讲,主要介绍中颖2002年推出的工业级SH69PXX系列O T P产品的主要应用情况。

中颖电子产品新技术研发小组经理程君健先生详细介绍了中颖电力线载波(P LC)产品线的情况。

中颖已经推出了该系列的第一款产品S H99F01,其主要应用于智能网络控制、无线抄表等领域。

中颖电子M CU产品事业部产品企划经理翟冠杰先生就中颖8位Flash M CU产品平台、开发工具、产品特点、典型应用、产品线规划、中颖的优势等方面做了详尽的介绍。

S H79FX X、SH88/89F XX系列产品是中颖根据市场的发展趋势和客户需求,历经4年的研发,于2008年陆续推出的。

该系列产品在秉承SH69P XX系列产品优势的同时,针对开发工具的方便性、产品的通用性、产品资源、应用领域、速度、特殊资源等方面进行了升级,以提供给客户更加方便易用、性能卓越、通用性强的产品。

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电池管理:主要由锂离子充电电路和充电监控电路组成。

外接直流电源通过充电电路为锂离子充电电池充电,充电完毕后充电电路自动关闭充电。

电压管理:所有在睡眠模式下不需要提供电源的模块,其电源供应都必须通过休眠控制部分进行控制,在系统休眠时关闭各个不使用模块的电源。

所有在休眠模式下需要供电的模块均不通过休眠控制,直接通过电池电压变换后供电,或者通过主电源直接或间接变换得到。

负载管理:在不使用模块时,通过GPIO 口关闭可降低功耗。

3.2　软件设计
为了实现节能,电源管理系统必须通过软件控制系统的功耗。

3.2.1　总体架构
电源管理系统软件整体架构如图6所示。

图6电源管理系统软件架构
电源管理软件设计可分为:操作系统层和应用层。

(1)操作系统层
电源管理的功能执行层,它管理系统中的各个部件(包括处理器和所有外设),并对具体的电源管理动作进行封装。

操作系统层的电源管理有3方面内容。

①处理器电源管理:执行由处理器完成的电源管理任务。

包括以下3方面:
◇DV S 。

动态核电压和频率调整,以及系统总线的频
率调整。

◇
模式管理。

系统运行模式管理,实现系统运行模
式的切换,如休眠唤醒、空闲忙碌等功能。

◇RT C 。

系统时钟和RTC 时钟的维护等。

②电池管理:监测电池电量,响应电池状态的变化(充放电)。

③设备电源管理:包括系统中的所有设备。

在系统睡眠唤醒时,每一个设备都需要配合系统的动作进行休眠唤醒。

如果设备在系统要休眠时处于忙碌状态,它可以拒绝系统的休眠要求,从而阻止整个系统进入休眠。

(2)应用层
最上层,实现系统的电源管理策略。

电源管理策略与操作系统层进行交互,从操作系统层获得系统的状态信息,根据系统状态采取相应措施,并将自己的决定通知操作系统,调用相应功能接口执行电源管理。

为了降低策略实现的复杂度,增强策略调整的灵活性,电源管理策略主要在应用层,利用Q Topia 的事件管理和定时器功能来实现。

电源管理应用程序位于系统的最上端,直接与用户进行交互,用户可以在这些应用程序中对电源管理策略进行配置。

这些应用程序包括电池管理程序、背光调整程序、超时时间设定程序、开关机程序等。

本文只介绍电池管理程序的实现。

3.2.2　电池管理程序实现
锂离子电池检测与充电保护电路芯片采用DS2760。

CPU 通过DS2760的DQ 引脚读取内部寄存器的数据,获得电池的运行状态,以便上层的应用程序对电池进行管理。

底层驱动程序主要实现设备的注册等功能。

上层应用程序主要包括ds2760.c 和Q topia 图形界面程序light -and -power 。

ds2760.c 主要完成电池电压、电流的读写。

例如读电压由函数Read Voltage 完成,代码如下:
unsigned char Read Voltage (void ){……if (read (bat tery fd ,p ,0)==0){
　……m sb =(int )read byte ();//读MSB 数据
lsb =(int )read byte ()&0xe0;
//读LSB 数据
if ((msb &0x80)==0x80)//电压是负值tem p =(m sb <<8+lsb )-65536;else {temp =(msb <<8)+lsb ;}//电压是正值Voltage =(temp >>5)＊0.00488;//得到实际电压值　……}
return 1;}
light -and -power 程序完成图形界面的电源管理应用于。

程序流程如图7所示。

图7　电源管理应用程序流程
4　系统功耗测试
系统功耗的高低代表系统运行时间和待机时间的长
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短,反映电源管理系统性能的高低。

为了评估手持终端整体功耗以及各个主要模块的功耗,需要对系统在不同负载情况下的电池输出电流进行测量。

表1是系统正常模式、在不同模块配置下的锂离子电池供电电流值实测数据。

内部电池供电为负值。

表1　锂离子电池供电电流值实测数据
启用模块电流值/A GPS +LCD +GPRS
-0.496GPS +LCD
-0.305
启用模块电流值/A LCD +GPRS -0.404都关闭
-0.198
结论:正常情况下,如果所有模块都开启,手持终端整体功耗电流约为0.496A ,基本满足设计的要求。

LCD 、G PS 、GPRS 三个部分约占总功耗的52.6%。

结　语
本文以实现功耗低、体积小、性能稳定的嵌入式手持
终端电源管理系统为目标,设计了基于S3C2440A 的嵌入式手持终端电源管理系统,对于其他嵌入式手持终端电源管理系统的设计具有一定的参考价值。

参考文献
[1]夏军,郑建宏.嵌入式系统的动态电源管理架构[J ].单片机
与嵌入式系统应用,2005(1).
[2]吴快快,都思丹.基于Linux 的便携式设备电源管理解决方
案[J ].微处理机,2005,26(5).
[3]王志锐,张晓林,徐广毅,等.嵌入式便携设备中电源管理的分析与研究[J ].单片机与嵌入式系统应用,2006(9).[4]颜重光.便携产品电源芯片应用技术[J ].电子设计应用,
2007(1).
蔡理金(讲师),研究方向为嵌入式系统的开发与应用。

(收稿日期:2009-05-18)
Pow er Management Sy s t em for Embe dde d Port able
Te rminal Base d on S3C 2440A
Commanding Communication Academy Cai Lijin ,Wang Fengdong ,Wang Lijie ,M a Do ngtang
A bstract Reliable po wer supply is one of the difficulties in the dev elo pment of embedded po rtable ter mina l .A iming at realizing a low -pow er ,sma ll and stable powe r manag ement sy stem fo r embedded po rtable terminal ,a po we r manag ement sy stem based on S3C2440A is desig ned .Po we r supply requirement and po wer manag eme nt policy under no rmal and sleep mode s ar e analyzed .
Key words S3C2440A ;embedded sy stem ;po rtable te rminal ;po we r manag ement
图8　成功下载应用程序
结语
ST M 32F10x 处理器性能出众,已被广泛应用于各种
场合。

其IAP 功能给用户带来了极大方便,使得产品的固件更新快捷、简单。

本文阐述了IAP 的基本原理,并详细描述了如何在ST M 32F10x 处理器平台中实现IA P 功能,并在所设计的系统中进行了IAP 实验。

实验证明,该款处理器的IAP 功能可靠、快捷。

参考文献
[1]ST Microelect ronics .STM32F10xxx in -application program -ming ,2008.
[2]ST Microelectronics .STM32F10xxx Flash programming ,2008.[3]ST Microelectronics .Medium -and High -density STM32F101xx
and STM32F103xx advanced ARM -based 32-bit MCUs ,2008.
陈峰峰、许艳(硕士研究生),主要研究方向为在线检测技术及测量自动化;胡毅(副教授),主要研究方向为虚拟仪器、测量控制等。

(收稿日期:2009-05-11)。