便攜式醫(yī)療儀器的電源管理模塊設(shè)計(jì)

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)。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要面對(duì)降低功耗及延長(zhǎng)電池壽命的艱巨挑戰(zhàn)。電源管理模塊是系統(tǒng)非常重要的組成部分，它包括電池充電管理、電池電量檢測(cè)、CPU狀態(tài)轉(zhuǎn)換、LCD和鍵盤背光控制。本文將從硬件電路和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)這幾方面功能。

大量實(shí)踐證明，系統(tǒng)處于空閑的時(shí)間占整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的一大部分。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。

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3.3 V；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3.6 V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。

圖2 系統(tǒng)的電源管理框圖

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）；

◆ 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)向用戶報(bào)警，提醒用戶關(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3.4 V。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)30 min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）。

5 V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)3 s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。

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(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)

//Bit0：系統(tǒng)供電方式，0：電池；1：外接電源

//Bit1：LCD狀態(tài)，0：正常運(yùn)行；1：關(guān)閉

//Bit2：LCD背光狀態(tài)，0：打開(kāi)；2：關(guān)閉

unsigned char system_status; //系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)：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(qū)動(dòng)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(duì)上層調(diào)用ioctl的實(shí)現(xiàn)

NULL，//test_mmap

power_44b0_open， //open，打開(kāi)設(shè)備

NULL，//flush

power_44b0_release，//release，關(guān)閉設(shè)備

};

（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)行操作類型，根據(jù)操作類型指定不同參數(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：

GET_POWER_STATUS，獲得由power_status_t結(jié)構(gòu)表示的電源與設(shè)備狀態(tài)；

SET_BATTARY_CHARGE_OFF，通過(guò)寫GPA9寄存器來(lái)停止充電；

SET_BATTARY_CHARGE_ON，寫GPA9寄存器來(lái)開(kāi)始充電；

GET_SYS_STAT，獲得當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)；

START_VOLTAGE_CONVERSION，通道ADC1開(kāi)始轉(zhuǎn)換電源電壓；

STOP_VOLTAGE_CONVERSION，通道ADC1停止轉(zhuǎn)換電源電壓；

GET_CHARGE_STATUS，取得當(dāng)前可否充電的狀態(tài)；

SYS_ENTER_STOP_MODE，用戶程序使系統(tǒng)進(jìn)入stop模式接口，調(diào)用power_down_timer_call（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；

SYS_ENTER_IDLE_MODE，用戶程序使系統(tǒng)進(jìn)入idle模式的接口，調(diào)用enter_IDLE_mode（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)；

SYS_ENTER_SL_IDLE_MODE，用戶程序使系統(tǒng)進(jìn)入sl_idle模式的接口，調(diào)用enter_SL_IDLE_mode（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)；

ENABLE_LCD，調(diào)用enable_lcd（）使LCD工作；

DISABLE_LCD，調(diào)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(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：

if （按下開(kāi)關(guān)機(jī)鍵）

{ 設(shè)置開(kāi)關(guān)機(jī)鍵狀態(tài)為按下;

關(guān)機(jī)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)進(jìn)入stop模式;

設(shè)置開(kāi)關(guān)機(jī)鍵產(chǎn)生中斷方式為上升沿觸發(fā)中斷;

}

else//開(kāi)關(guān)機(jī)鍵抬起

{ 設(shè)置開(kāi)關(guān)機(jī)鍵狀態(tài)為抬起;

使關(guān)機(jī)定時(shí)器失效;

設(shè)置開(kāi)關(guān)機(jī)鍵產(chǎn)生中斷方式為下降沿觸發(fā)中斷;

}

在關(guān)機(jī)狀態(tài)下：

if （按下開(kāi)關(guān)機(jī)鍵）

{ 設(shè)置開(kāi)關(guān)機(jī)鍵狀態(tài)為按下;

開(kāi)機(jī)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)進(jìn)入stop模式;

設(shè)置開(kāi)關(guān)機(jī)鍵產(chǎn)生中斷方式為上升沿觸發(fā)中斷;

}

else//開(kāi)關(guān)機(jī)鍵抬起

{ 設(shè)置開(kāi)關(guān)機(jī)鍵狀態(tài)為抬起;

使開(kāi)機(jī)定時(shí)器失效;

設(shè)置開(kāi)關(guān)機(jī)鍵產(chǎn)生中斷方式為下降沿觸發(fā)中斷。

}

2 總結(jié)

儀器配置2200 mAh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%。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下，由電池的輸出電流為220mA左右；如果處于IDLE狀態(tài)，則電流總消耗為80mA；在STOP狀態(tài)（關(guān)閉ARM和所有設(shè)備，維持一個(gè)32 768 Hz的時(shí)鐘），電流可降到10mA。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。