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血流检测仪的动态电源管理模块设计

血流检测仪的动态电源管理模块设计
来源:我爱方案网 时间:2012-11-29

【导读】 电源 管理是嵌入式便携式产品重要的功能部件,高效的电源管理方法能够有效降低系统功耗,延长系统的待机时间和电池使用寿命,而仅仅通过电路设计优 化已不能有效解决待机时间短、电池使用寿命短等问题,因此需要引入软件算法与硬件电路协同工作解决这些问题。本文提出动态电源管理模型,并应用于已完成的 嵌入式血流参数检测设计中,实践证明,系统空闲时间的功耗得到大幅度降低,待机时间延长。

引 言

与其他便携式电子产品一样,血流参数检测仪要做到小巧纤薄,坚固耐用,性能可靠,而且待机时间长。因此,系统设计要面对降低功耗及延长电池寿命的艰巨挑战。电源管理模块是系统非常重要的组成部分,它包括电池充电管理、电池电量检测、CPU状态转换、LCD和键盘背光控制。本文将从硬件电路和软件设计两个角度实现这几方面功能。

大量实践证明,系统处于空闲的时间占整个运行时间的一大部分。电源管理就是为了减少系统在空闲时间的能量消耗,使嵌入式系统的有效能量供给率化,从而延长电池的供电时间。为了延长电池的使用时间,在硬件领域,低功耗硬件电路的设计方法得到了广泛应用。然而仅仅利用低功耗硬件电路仍然不够,在系统设计中,提出采用“动态电源管理”概念,即把系统中不在使用的组件关闭或者进入低功耗模式(待机模式)。另外一种更加有效的方法就是动态可变电压DVS和动态可变频率DFS,即在运行时动态地调节CPU频率或者电压。这样可以在满足瞬时性能的前提下,使得有效能量供给率化。

1 系统设计

整个仪器设计采用S3C44B0芯片和uClinux操作系统。S3C44B0芯片是业界应用较多、功耗较低、成本低的中档产品。它提供五种工作状态:NORMAL、SLOW、IDLE、STOP和SL_IDLE[1]。系统正常工作在NORMAL状态,当用户无操作时段大于某一阈值时,则进入IDLE状态,用户按假关机键进入STOP状态,这时系统功耗很低。为了便于管理,应用层对电源管理状态进行了细划,引入电源管理的六个状态:数据采集状态、正常工作状态、准备状态、休息状态、IDLE状态和STOP状态。其中,IDLE状态和STOP状态与芯片提供的内容相同,由应用程序负责状态的迁移。整个仪器功耗的组件是背光(EL背光和键盘LED)、LCD和 传感器 驱动,其次才是CPU,电源管理状态迁移如图1所示。
图1 系统的电源管理状态迁移

1.1 电源管理模型


图2是电源管理的原理框图,其中包含6个模块:Vcore,Vio,Backup,Charge,Vdriver和Vlcd,它们分别为系统各部分供电。

Vcore为系统内核供电,供电电压为1.8 V;Vio为系统的I/O口供电,供电电压为3.3 V;Backup为系统备份电池供电,电池电压为3 V;Charge为充电电路,电池电压为3.6 V的充电电池;Vdriver为传感器供电电路,电压为±5 V;Vlcd为LCD模块供电,供电电压为3.3V和200VCA。

电池充电的电路原理为:当CPU检测到有外接电源时,CPU使用ADC检测电池二端的电压,并判断是否需要充电;当电池两端电压低于设定值时,打开Charge电路给电池充电,并检测充电电流,以保证电池安全有效的充电,充电至设定值时停止充电;当无外接电源时,电池为整个系统供电,CPU检测电池电压,当低于某一设定电压时,决定报警还是关机,以保护电池。

Vcore和Vio分别为系统的内核和I/O口供电,同时Vio也为存储器供电。Backup电池为系统的备份电池。

Vdriver为传感器提供±5 V的电压,并保证电流为25±1 mA。

Vlcd为LCD模块提供二组电压,其中3.3 V为LCD显示提供电压,200VAC为LCD的背光提供电压。
图2 系统的电源管理框图

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