引 言
電源管理(Power Management,，PM)是電子系統(tǒng)中必不可少的技術,。由于采用了先進的電源管理技術,，移動電話,、PDA等產品得到了廣泛的應用,。如果不采用完善的電源管理技術,，移動電話的通話時間可能不超過2 min,。隨著人們對嵌入式手持終端設備功能水平要求的不斷提高，手持終端的功耗也在不斷增高,。與之相矛盾的是,，手持終端的尺寸卻在不斷縮小，工作時間也在不斷延長,，使嵌入式手持終端電源系統(tǒng)管理面臨越來越大的壓力,。如何設計出性能穩(wěn)定,、功耗低的電源管理系統(tǒng)已經成為嵌入式手持終端設備開發(fā)的難點之一。本文重點介紹基于微處理器S3C2440A的手持終端電源管理系統(tǒng),。
1 供電需求
手持終端的CPU采用三星公司的ARM920T內核處理器S3C2440A,。S3C2440A是專門為各類手持終端而設計的高性能嵌入式微處理器，主頻可達400 MHz,，具有外圍接口豐富,、體積小、功耗低等特點,。
S3C2440A有4種工作模式：正常模式,、慢模式、空閑模式,、睡眠模式,。4種模式之間可以相互轉換，區(qū)別主要在于處理器工作頻率,、工作電壓和設備組合的不同,。本設計中主要針對正常模式和睡眠模式采用不同的電源管理策略。
1．1 正常模式下供電需求
在正常模式下,，CPU以及外圍部件都需要供電,。外圍部件主要包括Flash、SDRAM,、GPRS,、GPS、無線模塊,、LCD,、觸摸屏等部分。硬件結構如圖1所示,。
CPU電壓分為2組：核心電壓為1．2 V,；I／O引腳電壓為3．3 V。USB和GPS供電電壓為5 V,。LCD的供電電路比較復雜,，需要專用的驅動芯片為其供電。由于現在幾乎所有的手持終端都是彩屏,，作為調節(jié)LCD背光亮度的LED也需專門的驅動電路,。其余部分(如GPRS,、無線模塊,、音頻等)都為3．3 V。
1．2 休眠模式下供電需求
CPU 90％以上的時間處于休眠模式,，休眠狀態(tài)下電源管理的好壞對于手持終端工作時間的長短起著決定性作用,。圖2是手持終端在休眠模式下供電需求,。
休眠模式下，外部需要通過VDDalive端口為CPU內部能量控制模塊提供1．2 v／1．3 V電壓,，為存儲器接口電源VDDMOP,、ADC端口電源VDD_ADC、I／O端口電源VDDOP提供3．3 V電壓,。實時時鐘需要在休眠模式和系統(tǒng)關機時依然對其供電,。PWREN為控制信號，在CPU進入睡眠后,，PWREN為低電平,，可通過此引腳關閉睡眠模式下不使用的模塊。
2 電源管理策略
2．1 正常模式下電源管理策略
正常模式下的電源管理主要是通過控制外設控制器的開關來達到節(jié)約能量的目的,。S3C2440A外設接口控制器豐富,，但這些控制器不一定同時都用到。通過設置寄存器可以有選擇地關閉不需要的功能模塊,，盡量將不使用的控制器關閉,，盡可能節(jié)省功耗。因為如果不將其關閉,，即使它們沒有處于工作狀態(tài),，仍然會消耗電流。
2．2 休眠模式下電源管理策略
休眠模式下,，主要采用Time-out策略,，如圖3所示。系統(tǒng)完成所有任務后,，如果持續(xù)時間超過某一閾值(該時間間隔可由系統(tǒng)提供的計時模塊設定),，電源管理模塊將系統(tǒng)轉換至休眠狀態(tài)，直到有新任務請求到達時再喚醒系統(tǒng),，則執(zhí)行任務,。通過這種方式達到降低系統(tǒng)設備功耗的目的。
3 電源管理系統(tǒng)設計
3．1 硬件設計
嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)硬件設計必須同時滿足CPU正常模式和休眠模式的供電需求,。
3．1．1 休眠模式下供電電路
休眠模式下供電電路如圖4所示,。電池的電源經過Buck變換器后，輸出3．3 V供給I／O,、VDDalive等端口,；3．3 V經過LDO變換器輸出1．2 V，為休眠時CPU內部能量管理模塊供電,。電池電壓經過LDO變換器輸出3．3 V,，直接給實時時鐘RTC供電，只要手持終端電池電壓大于3．3 V,，系統(tǒng)RTC就會工作,。使用LDO變換器為RTC供電是因為輸入,、輸出電壓差別不大，效率較高,。但是,，CPU的1．2 V電壓通過Buck變換器和LDO變換器得到，LDO的效率雖然不到50％,，但比Buck變換器高,。
3．1．2 正常模式下供電電路
正常模式下供電電路如圖5所示。從圖中可看出,，電路共包括3個子模塊：電池管理,、電壓管理和負載管理。
電池管理：主要由鋰離子充電電路和充電監(jiān)控電路組成,。外接直流電源通過充電電路為鋰離子充電電池充電,，充電完畢后充電電路自動關閉充電。
電壓管理：所有在睡眠模式下不需要提供電源的模塊,，其電源供應都必須通過休眠控制部分進行控制,，在系統(tǒng)休眠時關閉各個不使用模塊的電源。所有在休眠模式下需要供電的模塊均不通過休眠控制,，直接通過電池電壓變換后供電,，或者通過主電源直接或間接變換得到。負載管理：在不使用模塊時,，通過GPIO口關閉可降低功耗,。
3．2 軟件設計
為了實現節(jié)能，電源管理系統(tǒng)必須通過軟件控制系統(tǒng)的功耗,。
3．2．1 總體架構
電源管理系統(tǒng)軟件整體架構如圖6所示,。
電源管理軟件設計可分為：操作系統(tǒng)層和應用層。
(1)操作系統(tǒng)層
電源管理的功能執(zhí)行層,，它管理系統(tǒng)中的各個部件(包括處理器和所有外設),，并對具體的電源管理動作進行封裝。操作系統(tǒng)層的電源管理有3方面內容,。
?、偬幚砥麟娫垂芾恚簣?zhí)行由處理器完成的電源管理任務。包括以下3方面：
◆DVS,。動態(tài)核電壓和頻率調整,，以及系統(tǒng)總線的頻率調整。
◆模式管理,。系統(tǒng)運行模式管理,，實現系統(tǒng)運行模式的切換，如休眠喚醒,、空閑忙碌等功能,。
◆RTC,。系統(tǒng)時鐘和RTC時鐘的維護等,。
?、陔姵毓芾恚罕O(jiān)測電池電量，響應電池狀態(tài)的變化(充放電),。
?、墼O備電源管理：包括系統(tǒng)中的所有設備。在系統(tǒng)睡眠喚醒時,，每一個設備都需要配合系統(tǒng)的動作進行休眠喚醒,。如果設備在系統(tǒng)要休眠時處于忙碌狀態(tài)，它可以拒絕系統(tǒng)的休眠要求,，從而阻止整個系統(tǒng)進入休眠,。
(2)應用層
最上層，實現系統(tǒng)的電源管理策略,。電源管理策略與操作系統(tǒng)層進行交互,，從操作系統(tǒng)層獲得系統(tǒng)的狀態(tài)信息，根據系統(tǒng)狀態(tài)采取相應措施,，并將自己的決定通知操作系統(tǒng),，調用相應功能接口執(zhí)行電源管理。
為了降低策略實現的復雜度,，增強策略調整的靈活性,，電源管理策略主要在應用層，利用QTopia的事件管理和定時器功能來實現,。電源管理應用程序位于系統(tǒng)的最上端,，直接與用戶進行交互，用戶可以在這些應用程序中對電源管理策略進行配置,。這些應用程序包括電池管理程序,、背光調整程序、超時時間設定程序,、開關機程序等,。本文只介紹電池管理程序的實現。
3．2．2 電池管理程序實現
鋰離子電池檢測與充電保護電路芯片采用DS2760,。CPU通過DS2760的DQ引腳讀取內部寄存器的數據,，獲得電池的運行狀態(tài)，以便上層的應用程序對電池進行管理,。底層驅動程序主要實現設備的注冊等功能,。上層應用程序主要包括ds2760．c和Qtopia圖形界面程序light-and-power。ds2760．c主要完成電池電壓,、電流的讀寫,。例如讀電壓由函數Read_Voltage完成,，代碼如下：
light_and_power程序完成圖形界面的電源管理應用于。程序流程如圖7所示,。
4 系統(tǒng)功耗測試
系統(tǒng)功耗的高低代表系統(tǒng)運行時間和待機時間的長短,，反映電源管理系統(tǒng)性能的高低。為了評估手持終端整體功耗以及各個主要模塊的功耗,，需要對系統(tǒng)在不同負載情況下的電池輸出電流進行測量,。表1是系統(tǒng)正常模式、在不同模塊配置下的鋰離子電池供電電流值實測數據,。內部電池供電為負值,。
結論：正常情況下，如果所有模塊都開啟,，手持終端整體功耗電流約為0．496 A,，基本滿足設計的要求。LCD,、GPS,、GPRS三個部分約占總功耗的52．6％。
結 語
本文以實現功耗低,、體積小,、性能穩(wěn)定的嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)為目標，設計了基于S3C2440A的嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng),，對于其他嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)的設計具有一定的參考價值,。