引 言

與其他便攜式電子產品一樣，血流參數檢測儀要做到小巧纖薄，堅固耐用，性能可靠，而且待機時間長。因此，系統設計要面對降低功耗及延長電池壽命的艱巨挑戰。電源管理模塊是系統非常重要的組成部分，它包括電池充電管理、電池電量檢測、CPU狀態轉換、LCD和鍵盤背光控制。本文將從硬件電路和軟件設計兩個角度實現這幾方面功能。

大量實踐證明，系統處于空閑的時間占整個運行時間的一大部分。電源管理就是為了減少系統在空閑時間的能量消耗，使嵌入式系統的有效能量供給率最大化，從而延長電池的供電時間。為了延長電池的使用時間，在硬件領域，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“動態電源管理”概念，即把系統中不在使用的組件關閉或者進入低功耗模式（待機模式）。另外一種更加有效的方法就是動態可變電壓DVS和動態可變頻率DFS，即在運行時動態地調節CPU頻率或者電壓。這樣可以在滿足瞬時性能的前提下，使得有效能量供給率最大化。

1 系統設計

整個儀器設計采用S3C44B0芯片和uClinux操作系統。S3C44B0芯片是業界應用較多、功耗較低、成本低的中檔產品。它提供五種工作狀態：NORMAL、SLOW、IDLE、STOP和SL_IDLE［1］。系統正常工作在NORMAL狀態，當用戶無操作時段大于某一閾值時，則進入IDLE狀態，用戶按假關機鍵進入STOP狀態，這時系統功耗很低。為了便于管理，應用層對電源管理狀態進行了細劃，引入電源管理的六個狀態：數據采集狀態、正常工作狀態、準備狀態、休息狀態、IDLE狀態和STOP狀態。其中，IDLE狀態和STOP狀態與芯片提供的內容相同，由應用程序負責狀態的遷移。整個儀器功耗最大的組件是背光（EL背光和鍵盤LED）、LCD和傳感器驅動，其次才是CPU，電源管理狀態遷移如圖1所示。

圖1 系統的電源管理狀態遷移

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個模塊：Vcore，Vio，Backup，Charge，Vdriver和Vlcd，它們分別為系統各部分供電。

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3.3 V；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3.6 V的充電電池；Vdriver為傳感器供電電路，電壓為±5 V；Vlcd為LCD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，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，打開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，充電至設定值時停止充電；當無外接電源時，電池為整個系統供電，CPU檢測電池電壓，當低于某一設定電壓時，決定報警還是關機，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LCD模塊提供二組電壓，其中3.3 V為LCD顯示提供電壓，200VAC為LCD的背光提供電壓。

圖2 系統的電源管理框圖

1.2 驅動程序設計

1.2.1 驅動提供接口

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

◆ 系統供電方式接口，通過此接口驅動和應用程序，可知道系統此時是由電池供電還是由外接電源供電；

◆ 電池電量檢測接口，通過此接口驅動程序可檢測到系統的電量，應用程序由此可實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，當系統使用外接電源供電時，可對系統中的電池充電，通過此接口驅動可獲取電池的充電狀態（正在充電或電池已充滿）；

◆ 電池溫度檢測接口，通過此接口驅動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計算電池的使用時間，同時在電池過熱（電池有問題）時向用戶報警，提醒用戶關機或更換電池。

電源管理驅動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

通過端口ADC1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，強行關機電壓為3.4 V。數據電壓關系：1024－5 V ；0－0 V。

電池充電管理由硬件實現，但在電池充電到4.2 V時，延時30 min關閉充電功能（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，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為關閉充電，當電池電源低于3.8 V時，GPA9設為0，開始充電（應用層完成）。

5 V電源只用于數據采集，非數據采集狀態下關閉5 V電源（在ADC中實現）。控制端口是GPC2，0為打開，1為關閉。

（3） 假關機

關機狀態下，只關閉鍵盤燈和液晶屏，但系統仍處于正常運行狀態。關閉鍵盤燈、液晶屏以及其他外設的工作由上層軟件實現。

1.2.2 程序流程

uClinux啟動時調用module_init（power_44b0_init）函數，進而power_44b0_init被調用，進行相關的初始化：

◆ 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（），并且初始化定時器power_down_timer；

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

◆ 關機進入stop模式，通過中斷處理函數power_key_44b0_interrupt（）處理關機鍵對應的中斷，按下關機鍵后用power_down_timer計時，當3 s后，power_down_timer對應的動作power_down_timer_call（）發生，從而進入stop模式。

1.2.3 接口設計與接口函數實現

（1）數據結構說明

電源和設備狀態由power_status_t的結果表示。

typedef struct {

unsigned long battery_quantity;//電池電量

//目前只提供電池電壓

unsigned long device_status;//系統中各設備的運行狀態

//Bit0：系統供電方式，0：電池；1：外接電源

//Bit1：LCD狀態，0：正常運行；1：關閉

//Bit2：LCD背光狀態，0：打開；2：關閉

unsigned char system_status; //系統運行狀態：0為正常模

//式，1為STOP模式

} power_status_t

（2）file_operations的值

電源管理模塊驅動的file_operations具體值為：

struct file_operations power_44b0_fops={

NULL，//struct module *owner;

NULL，//llseek

NULL，//read

NULL，//write

NULL，//readdir

NULL，//poll

power_44b0_ioctl，//ioctl，對上層調用ioctl的實現

NULL，//test_mmap

power_44b0_open， //open，打開設備

NULL，//flush

power_44b0_release，//release，關閉設備

};

（3）power_44b0_ioctl（）函數設計

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

功能說明：設備ioctl的操作函數。

參數說明：inode，文件指針，執行操作類型，根據操作類型指定不同參數。

返回值：0表示成功，否則返回ENOTTY。

判斷cmd的值，根據cmd的不同值進行不同的操作，電源設備的ioctl主要實現以下14種操作：

GET_POWER_STATUS，獲得由power_status_t結構表示的電源與設備狀態；

SET_BATTARY_CHARGE_OFF，通過寫GPA9寄存器來停止充電；

SET_BATTARY_CHARGE_ON，寫GPA9寄存器來開始充電；

GET_SYS_STAT，獲得當前系統狀態；

START_VOLTAGE_CONVERSION，通道ADC1開始轉換電源電壓；

STOP_VOLTAGE_CONVERSION，通道ADC1停止轉換電源電壓；

GET_CHARGE_STATUS，取得當前可否充電的狀態；

SYS_ENTER_STOP_MODE，用戶程序使系統進入stop模式接口，調用power_down_timer_call（）函數來實現；

SYS_ENTER_IDLE_MODE，用戶程序使系統進入idle模式的接口，調用enter_IDLE_mode（）函數實現；

SYS_ENTER_SL_IDLE_MODE，用戶程序使系統進入sl_idle模式的接口，調用enter_SL_IDLE_mode（）函數實現；

ENABLE_LCD，調用enable_lcd（）使LCD工作；

DISABLE_LCD，調用disable_lcd（）使LCD停止工作；

ENANLE_LED，鍵盤燈有效工作；

DISABLE_LED，停止鍵盤燈工作。

（4）power_key_44b0_interrupt

函數原形：static void power_key_44b0_interrupt（int irq， void *dev_id， struct pt_regs *regs） 。

功能說明：響應關機鍵，進入stop模式。

參數說明：中斷號，設備id，寄存器結構。

下面介紹函數的算法描述。

在正常狀態下：

if （按下開關機鍵）

{ 設置開關機鍵狀態為按下;

關機計時器開始計時，計時結束時進入stop模式;

設置開關機鍵產生中斷方式為上升沿觸發中斷;

}

else//開關機鍵抬起

{ 設置開關機鍵狀態為抬起;

使關機定時器失效;

設置開關機鍵產生中斷方式為下降沿觸發中斷;

}

在關機狀態下：

if （按下開關機鍵）

{ 設置開關機鍵狀態為按下;

開機計時器開始計時，計時結束時進入stop模式;

設置開關機鍵產生中斷方式為上升沿觸發中斷;

}

else//開關機鍵抬起

{ 設置開關機鍵狀態為抬起;

使開機定時器失效;

設置開關機鍵產生中斷方式為下降沿觸發中斷。

}

2 總結

儀器配置2200 mAh的鎳氫電池，經過測試，電源管理模塊使整個系統的功耗降低了60%。系統在數據采集狀態下，由電池的輸出電流為220mA左右；如果處于IDLE狀態，則電流總消耗為80mA；在STOP狀態（關閉ARM和所有設備，維持一個32 768 Hz的時鐘），電流可降到10mA。實驗表明，利用動態電源管理，可對便攜式醫療儀器實現有效電源管理。