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(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(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(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(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(pán)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(kāi)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。
1.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
1.2.1 驅(qū)動(dòng)提供接口
系統(tǒng)硬件電源管理模塊為系統(tǒng)電源管理功能的實(shí)現(xiàn)提供必要的硬件基礎(chǔ),，并為驅(qū)動(dòng)程序提供如下編程接口：
◆ 系統(tǒng)供電方式接口,通過(guò)此接口驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序,，可知道系統(tǒng)此時(shí)是由電池供電還是由外接電源供電;
◆ 電池電量檢測(cè)接口，通過(guò)此接口驅(qū)動(dòng)程序可檢測(cè)到系統(tǒng)的電量,，應(yīng)用程序由此可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電池電量的顯示及電池電量報(bào)警等功能;
◆ 電池充電狀態(tài),當(dāng)系統(tǒng)使用外接電源供電時(shí),，可對(duì)系統(tǒng)中的電池充電，通過(guò)此接口驅(qū)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(cè)接口,，通過(guò)此接口驅(qū)動(dòng)程序可檢測(cè)到電池的溫度,，電池溫度和電池電量相結(jié)合可用來(lái)計(jì)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(bào)警,，提醒用戶(hù)關(guān)機(jī)或更換電池,。
電源管理驅(qū)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(tǒng)用電情況
通過(guò)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(bào)警電壓為3.6 V,，強(qiáng)行關(guān)機(jī)電壓為3.4V,。數(shù)據(jù)電壓關(guān)系：1024-5 V ;0-0 V。
電池充電管理由硬件實(shí)現(xiàn),，但在電池充電到4.2 V時(shí),，延時(shí)30min關(guān)閉充電功能(應(yīng)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(tǒng)接有外接電源時(shí),，系統(tǒng)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(dāng)電池電源低于3.8 V時(shí),，GPA9設(shè)為0，開(kāi)始充電(應(yīng)用層完成),。
5V電源只用于數(shù)據(jù)采集,，非數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下關(guān)閉5 V電源(在ADC中實(shí)現(xiàn))?？刂贫丝谑荊PC2，0為打開(kāi),，1為關(guān)閉,。
(3)假關(guān)機(jī)
關(guān)機(jī)狀態(tài)下，只關(guān)閉鍵盤(pán)燈和液晶屏,，但系統(tǒng)仍處于正常運(yùn)行狀態(tài),。關(guān)閉鍵盤(pán)燈、液晶屏以及其他外設(shè)的工作由上層軟件實(shí)現(xiàn),。
1.2.2 程序流程
uClinux啟動(dòng)時(shí)調(diào)用module_init(Power_44b0_init)函數(shù),，進(jìn)而power_44b0_init被調(diào)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(cè)power_44b0_fops以及中斷處理函數(shù)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(shù)打開(kāi)/dev/power設(shè)備,，通過(guò)power_44b0_release()函數(shù)釋放/dev/power設(shè)備，通過(guò)power_44b0_ioctl()函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的各種操作;
◆ 關(guān)機(jī)進(jìn)入stop模式,，通過(guò)中斷處理函數(shù)power_key_44b0_interrupt()處理關(guān)機(jī)鍵對(duì)應(yīng)的中斷,，按下關(guān)機(jī)鍵后用power_down_timer計(jì)時(shí)，當(dāng)3s后,，power_down_timer對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)與接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)
(1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說(shuō)明
電源和設(shè)備狀態(tài)由power_status_t的結(jié)果表示,。
(2)file_operations的值
電源管理模塊驅(qū)動(dòng)的file_operations具體值為：
(3)power_44b0_ioctl()函數(shù)設(shè)計(jì)
函數(shù)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(shè)備ioctl的操作函數(shù)。
參數(shù)說(shuō)明：inode,，文件指針,，執(zhí)行操作類(lèi)型，根據(jù)操作類(lèi)型指定不同參數(shù),。
返回值：0表示成功,，否則返回ENOTTY。
判斷cmd的值,，根據(jù)cmd的不同值進(jìn)行不同的操作,，電源設(shè)備的ioctl主要實(shí)現(xiàn)以下14種操作：
(4)power_key_44b0_interrupt
函數(shù)原形：static void power_key_44b0_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) 。
功能說(shuō)明：響應(yīng)關(guān)機(jī)鍵,，進(jìn)入stop模式,。
參數(shù)說(shuō)明：中斷號(hào)，設(shè)備id，寄存器結(jié)構(gòu),。
下面介紹函數(shù)的算法描述,。
在正常狀態(tài)下：
2 總結(jié)
儀器配置2200mAh的鎳氫電池，經(jīng)過(guò)測(cè)試,，電源管理模塊使整個(gè)系統(tǒng)的功耗降低了60%,。實(shí)驗(yàn)表明，利用動(dòng)態(tài)電源管理,，可對(duì)便攜式醫(yī)療儀器實(shí)現(xiàn)有效電源管理,。