醫(yī)用動(dòng)態(tài)電源管理模塊設(shè)計(jì)方案

引言

　　與其他便攜式電子產(chǎn)品一樣，血流參數(shù)檢測(cè)儀要做到小巧纖薄，堅(jiān)固耐用，性能可靠，而且待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)。電源管理就是為了減少系統(tǒng)在空閑時(shí)間的能量消耗，使嵌入式系統(tǒng)的有效能量供給率最大化，從而延長(zhǎng)電池的供電時(shí)間。為了延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，在硬件領(lǐng)域，低功耗硬件電路的設(shè)計(jì)方法得到了廣泛應(yīng)用。然而僅僅利用低功耗硬件電路仍然不夠，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，提出采用“動(dòng)態(tài)電源管理”概念，即把系統(tǒng)中不在使用的組件關(guān)閉或者進(jìn)入低功耗模式(待機(jī)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(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)CPU頻率或者電壓。這樣可以在滿足瞬時(shí)性能的前提下，使得有效能量供給率最大化。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　整個(gè)儀器設(shè)計(jì)采用S3C44B0芯片和uClinux操作系統(tǒng)。S3C44B0芯片是業(yè)界應(yīng)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(tǒng)正常工作在NORMAL狀態(tài)，當(dāng)用戶無(wú)操作時(shí)段大于某一閾值時(shí)，則進(jìn)入IDLE狀態(tài)，用戶按假關(guān)機(jī)鍵進(jìn)入STOP狀態(tài)，這時(shí)系統(tǒng)功耗很低。為了便于管理，應(yīng)用層對(duì)電源管理狀態(tài)進(jìn)行了細(xì)劃，引入電源管理的六個(gè)狀態(tài)：數(shù)據(jù)采集狀態(tài)、正常工作狀態(tài)、準(zhǔn)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(nèi)容相同，由應(yīng)用程序負(fù)責(zé)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LED)、LCD和傳感器驅(qū)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(tǒng)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(tǒng)各部分供電。

　　圖2 系統(tǒng)的電源管理框圖

　　Vcore為系統(tǒng)內(nèi)核供電，供電電壓為1.8 V;Vio為系統(tǒng)的I/O口供電，供電電壓為3.3V;Backup為系統(tǒng)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(zhǎng)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(dāng)CPU檢測(cè)到有外接電源時(shí)，CPU使用ADC檢測(cè)電池二端的電壓，并判斷是否需要充電;當(dāng)電池兩端電壓低于設(shè)定值時(shí)，打開Charge電路給電池充電，并檢測(cè)充電電流，以保證電池安全有效的充電，充電至設(shè)定值時(shí)停止充電;當(dāng)無(wú)外接電源時(shí)，電池為整個(gè)系統(tǒng)供電，CPU檢測(cè)電池電壓，當(dāng)?shù)陀谀骋辉O(shè)定電壓時(shí)，決定報(bào)警還是關(guān)機(jī)，以保護(hù)電池。

　　Vcore和Vio分別為系統(tǒng)的內(nèi)核和I/O口供電，同時(shí)Vio也為存儲(chǔ)器供電。Backup電池為系統(tǒng)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(zhǎng)CD模塊提供二組電壓，其中3.3 V為L(zhǎng)CD顯示提供電壓，200VAC為L(zhǎng)CD的背光提供電壓。