隨著計算機技術,、半導體技術以及電子技術的發(fā)展,，嵌入式系統(tǒng)以其體積小、可靠性高,、功耗低,、軟硬件集成度高等特點廣泛應用于工業(yè)制造、過程控制,、通信,、儀器、儀表,、汽車,、船舶、航空,、航天,、軍事裝備、消費類產品等眾多領域,。嵌入式系統(tǒng)硬件設計與調試是嵌入式系統(tǒng)設計成功的基礎,，而硬件電路中電源電路的設計與調試則是系統(tǒng)硬件調試成功的關鍵。本文從實際應用出發(fā),，結合在焊接機控制系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)電源的設計與調試過程中碰到的一些問題,，分析討論嵌入式系統(tǒng)電源的設計與調試方法。
1 系統(tǒng)硬件結構
在基于嵌入式系統(tǒng)的焊接機控制系統(tǒng)設計中,，以AT91RM9200作為系統(tǒng)核心微處理器,，依據控制系統(tǒng)要求外擴了SDRAM、SRAM,、Flash,，鍵盤、液晶顯示電路可進行實時參數調整,、顯示并在出錯時報警,，RS485串行接口完成數據傳輸通信，可進行紅外遙控操作,。系統(tǒng)硬件結構如圖1所示,。
圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖
2 系統(tǒng)電源設計
2.1 系統(tǒng)電源工作原理
AT91RM9200是完全圍繞ARM920T處理器構建的系統(tǒng)芯片,。它有豐富的系統(tǒng)與應用外設及標準的接口，從而成為低功耗,、低成本的嵌入式工業(yè)級產品,。AT91RM9200提供了全功能電源管理控制器（PMC），優(yōu)化了整個系統(tǒng)的功耗,，并支持普通,、空閑、慢時鐘及Standby工作模式,，提供不同的功耗等級及事件響應延遲時間[1],。在空閑模式下，ARM處理器時鐘禁用并等待下一次中斷（或主復位）,；慢時鐘模式是復位后選擇的模式,，在此模式下主振蕩器及PLL關閉以降低功耗；Standby模式是慢時鐘模式與空閑模式的結合,，它使能處理器以快速響應喚醒事件,，并保持較低的功耗。當系統(tǒng)正常工作時由外界直流電源供電并對電池充電,，外電源斷開時自動切換到內部后備電池供電,。
2.2 電源電路設計
AT91RM9200有5種類型的電源引腳：VDDCORE引腳用于向內核供電，一般為1.8V,；VDDPLL,、VDDOSC分別給PLL或者振蕩器供電，一般為1.8V,；VDDIOP,、VDDIOM分別用于給外設I/O口線、USB收發(fā)器以及外部總線接口I/O口線供電,，一般為3.3V,。此外，系統(tǒng)的鍵盤,、顯示電路的供電電壓需要＋5V電源,。因此，本控制系統(tǒng)需要使用3組電源,。通過對整個控制系統(tǒng)的控制要求和性能進行分析,，確定本系統(tǒng)的負載電流大約為3A。因此,，系統(tǒng)電源的穩(wěn)壓芯片選用了ON公司的LM2576系列穩(wěn)壓器,，把外部直流電源穩(wěn)壓成系統(tǒng)需要的+3.3V和+5V電源。由于系統(tǒng)內核電源供電要求1.8V,，因此系統(tǒng)應采用二級電源轉換電路,。本文選用TI公司的微功耗,、極低壓差PMOS穩(wěn)壓器（LDO芯片）TPS72518作為內核電源轉換芯片，把+3.3V穩(wěn)壓成+1.8V,，為處理器內核提供工作電源,。系統(tǒng)電源電路如圖2所示。圖2中給出了嵌入式系統(tǒng)電源去耦等PCB設計方法,。C3,、C6是穩(wěn)壓芯片的電解旁路電容，在電路中接入它們能使電路穩(wěn)定地工作,；C2,、C5,、C8為輸出穩(wěn)定電容,，對于減小輸出紋波、輸出噪聲以及負載電流變化的影響有較好的效果,，根據穩(wěn)壓器自身的工作要求,，電容分別選用10μF、100 μF的電解電容,。
圖2 系統(tǒng)電源電路圖
基于32位微處理器的嵌入式系統(tǒng)性能在很大程度上取決于時鐘電路的穩(wěn)定性和可靠性,，而時鐘電路的穩(wěn)定性主要取決于系統(tǒng)鎖相環(huán)（PLL）的穩(wěn)定性。因此,，在PLL模擬部分供電電源應采用濾波電路,，以保證供電的穩(wěn)定性[2]。微處理器內部時鐘,、電源和復位控制等關鍵部件的參數對系統(tǒng)各種運行方式起著重要甚至是決定性的作用,。因此，為了保證在各種運行方式下所設置的參數不變,，通常在嵌入式系統(tǒng)設計中提供后備電池的供電電路,。如圖2所示，采用TI公司的電池充電器BQ24200作為系統(tǒng)電源的后備電池,，系統(tǒng)正常工作時外部電源對它進行充電,，外部電源被切斷后由它提供系統(tǒng)電源，以便系統(tǒng)保存重要參數,。
3 系統(tǒng)電源的調試
3.1 調試的內容及步驟
一個比較大的嵌入式系統(tǒng)硬件電路,，應該分模塊進行焊接、調試,，避免遇到問題時無從下手檢查,。由于系統(tǒng)中每個電路模塊都需要接入輸入電源，如果電源輸入不當,，則會使輸出結果不正確甚至燒壞集成電路,，因此應該首先安裝,、調試系統(tǒng)電源模塊。系統(tǒng)電源電路模塊的成功調試是整個硬件電路調試成功的關鍵,。
依據電路圖焊接好元器件之后,，仔細檢查元器件是否焊接有誤，電路板是否存在虛焊或焊渣短路等現(xiàn)象,，檢查無誤后進行上電調試,。由直流穩(wěn)壓電源發(fā)生器輸出電源接入系統(tǒng)電源模塊的輸入端口（POW1），輸入電源Vin調為＋6V,，用示波器檢查系統(tǒng)電源的1.8 V,、3.3 V、5V輸出端口,，沒有電壓輸出,。斷電重新檢查電路，發(fā)現(xiàn)電解電容C6已經被燒成黑色,，原因是C6的正負極性接反了,。換了新電容焊接正確后上電調試，1.8 V,、5V電壓輸出端正常,，而3.3 V電壓輸出端電壓不到3V。查看穩(wěn)壓芯片LM2576的數據手冊之后,，調節(jié)輸入電源Vin,，同時檢測三組系統(tǒng)電源的電壓值，當三組電源輸出正確時,，輸入電壓Vin的值為6.7V左右,。由于本控制系統(tǒng)的負載電流大約是3 A，因此在電路中加入負載電流為3A的負載電阻,，以此來測試系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性,。經過調試，電容,、電感等元件發(fā)熱正常,，輸出電壓值正確。至此,，系統(tǒng)電源模塊調試成功,。
接下來逐步安裝、調試其他模塊電路,。每安裝一個模塊就上電檢測,，主要檢測系統(tǒng)電源電壓以及該模塊的輸入電壓、輸出結果是否正確。當把整個系統(tǒng)硬件電路安裝好之后上電調試,，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)電源不穩(wěn)定,，即直流穩(wěn)壓輸入電源經常掉電，致使系統(tǒng)電源工作不正常,。由于系統(tǒng)電路比較多,，檢查比較困難，問題一直沒有解決,。在多次上電檢測,、調試之后，發(fā)現(xiàn)電路中的一個電壓（升壓）轉換器冒煙——芯片被燒焦了,。仔細查閱該芯片的數據手冊,，發(fā)現(xiàn)該芯片型號弄錯了，正負反饋電壓引腳接反,。把該芯片拆除之后,，系統(tǒng)電源工作正常。
3.2 調試結果分析
對系統(tǒng)電源調試以及整個系統(tǒng)硬件電路的安裝調試過程進行分析,，結合在安裝,、調試過程中碰到的問題,，得出以下結論：
?、?貼片電阻、電容器的基片大多采用受碰撞易破裂的陶瓷材料制作,，而貼片式集成電路的引腳數量多,、間距窄、硬度低,，極易造成引腳焊錫短路,、虛焊等故障，因此在拆卸,、焊接時應掌握控溫,、預熱、輕觸等技巧,。
?、?在進行電源模塊調試之前，必須仔細檢查元器件安裝是否有誤,，用電壓表檢測電路是否存在虛焊或者焊渣短路等現(xiàn)象,，確保電路的正確性，避免燒壞元器件,。
?、?上電時如果沒有太大把握，可考慮使用帶限流功能的可調穩(wěn)壓電源，將穩(wěn)壓電源的電壓值慢慢往上調,，檢測輸入電流（電壓）及輸出電壓,，直到輸出電壓滿足要求。
?、?當調試比較大的系統(tǒng)電路時,，應先安裝、調試系統(tǒng)電源,，調試成功后再逐步安裝,、調試其他模塊。每安裝好一個模塊就上電測試,，確保無誤后再調試另一個模塊,。
結語
本文以基于AT91RM9200的嵌入式控制系統(tǒng)為例，重點分析系統(tǒng)電源電路的設計思路,、方法以及系統(tǒng)電源的安裝與調試過程,，結合調試過程中碰到的問題，對嵌入式系統(tǒng)電路的調試方法及注意事項進行了分析,。隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用,，電源電路的設計與調試尤為重要，本文的設計與調試思路值得借鑒,。
