基于嵌入式系統(tǒng)的RFID手持機系統(tǒng)設(shè)計
RFID手持機在交通運輸、門禁、物流、考勤、貨物管理、身份識別等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。RFID手持設(shè)備對電源的效率、使用壽命、可靠性、體積、成本等方面有較高的要求。因此,設(shè)計一個穩(wěn)定性好、效率高、雜散小的電源對于RFID手持機有著十分重要的意義。
1RFID手持機硬件結(jié)構(gòu)
在基于嵌入式系統(tǒng)的RFID手持機系統(tǒng)設(shè)計中,以微處理器LPC2142為主控制器,根據(jù)系統(tǒng)的需求外擴了SRAM、Flash、SD卡、鍵盤、LCD顯示、聲響提示進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、人機交互以及出錯報警提示,通過USB接口可以與主機進行數(shù)據(jù)通信,背光模塊可以為LCD和鍵盤提供背光,電壓檢測模塊通過核心處理器的A/D轉(zhuǎn)換器進行電池電壓的檢測,從而間接檢測出電池的剩余電量,RF模塊能夠進行讀寫器與標(biāo)簽之間射頻信號的收發(fā),通過JTAG接口可以進行程序的調(diào)試與下載。電源部分可以為系統(tǒng)中需要電源的各個模塊提供電源,這是本文設(shè)計的重點內(nèi)容。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2需求電源的指標(biāo)
經(jīng)設(shè)計并計算,該系統(tǒng)需要兩種電壓的電源,一路是3.3V的,為鍵盤、LCD復(fù)位電路、所外擴的存儲器、RF模塊供電;另一路是5V的,為系統(tǒng)的聲響提示電路以及鍵盤和LCD的背光電路提供電源。為方便攜帶,系統(tǒng)采用電池供電,欲達到性能指標(biāo)如下:
?。?)電源轉(zhuǎn)化效率≥80%;
?。?)輸出電流要求:3.3V輸出電流500mA;5V輸出電流300mA;
?。?)兩路電源電壓的波動均控制在±5%以內(nèi);
?。?)可以通過USB輸入對電池進行充電。
3各種電源芯片的特點及選型注意事項
3.1各種電源芯片
3.2選型注意事項
首先,必須要正確選擇電源芯片類型。要明確輸入電壓和所需要的輸出電壓,進而確定是升壓、降壓還是升/降壓。特別要注意的是,普通線性穩(wěn)壓器、LDO和Buck(或Step-down)型DC-DC只能降壓,不能升壓,Boost(或Step-up)型DC-DC只能升壓不能降壓。
強調(diào)這一點的原因是,一些芯片(LDO或者降壓型DC-DC)的手冊給出的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍都很寬,很容易誤導(dǎo)沒有經(jīng)驗的設(shè)計者。手冊中的輸出電壓范圍,很多都是針對給出的輸入電壓范圍的,對于特定的輸入電壓,在很多情況下,實際的輸出是達不到給出的輸出電壓的。這一點十分關(guān)鍵,決定系統(tǒng)設(shè)計的成敗,應(yīng)引起高度重視。
其次,手持設(shè)備的電源設(shè)計中,要注意芯片的靜態(tài)電流,這一點對系統(tǒng)的待機時間影響很大,好的電源芯片的靜態(tài)電流在μA級,較差的芯片在mA級,相差上千倍,靜態(tài)電流越小,電池的電能耗散就越少,壽命就越長。
再次,注意要從實際的負載來考察效率。電源效率與輸出電流是密切相關(guān)的,當(dāng)輸出電流很小或很大時,效率都會變得較差,需要根據(jù)需要的電流來選擇電源芯片,以達到效率最大化。
4方案選擇及芯片選型
4.1方案選擇
方案1:3.3V輸出采用LDO,5V輸出采用電荷泵。
方案2:3.3V輸出采用Buck/Boost型DC-DC,5V輸出采用升壓型DC-DC。
由于鋰離子電池的電壓范圍變化較寬,在2.5V~4.2V(4.2V是滿充可以達到的電壓)之間都應(yīng)該有正常的電源輸出電壓,如果采用3.3V輸出的LDO,由于要滿足輸入輸出的最小壓差的要求,當(dāng)電池電壓降到3.4V左右時,電源可能達不到輸出3.3V電壓了。采用電荷泵輸出5V,當(dāng)輸入輸出電壓比較接近時電荷泵的效率不會很高。采用第二種方案可以最大限度地提高電源轉(zhuǎn)化效率,延長電池的使用時間。
綜合考慮以上的比較,選擇第二種方案。
4.2芯片選型
通過查詢,決定采用TI的兩個芯片TPS63031和TPS61240分別作為3.3V輸出和5V輸出的電壓轉(zhuǎn)換芯片,TPS63031在輸入電壓在2.4~5.5V范圍內(nèi),通過升壓或者降壓工作模式輸出高達800mA的電流,在節(jié)能模式下,當(dāng)輸出電流在100~500mA之間變化時,效率均在80%以上。TPS61240是可以工作在3.5MHz的升壓DC-DC,輸出電流可以達到450mA,具有PFM/PWM工作模式,當(dāng)負載電流在200mA左右時,可以在電池的電壓范圍內(nèi)提供80%以上的效率。
由于微處理器對電源紋波要求較高,所以在3.3V輸出的后邊增加了一個LDO,以濾除DC-DC輸出較大的紋波,提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度。由于要滿足壓差和處理器可靠工作電壓的要求,選輸出電壓比3.3V低的TPS78320,可以輸出3.2V電壓,最大可以輸出150mA的電流,這個電壓滿足微處理器LPC2142可靠工作電源電壓范圍和電流需求。
此外,該LDO的靜態(tài)電流僅為500nA,這正符合電池供電的手持系統(tǒng)節(jié)能的要求。
5調(diào)試
5.1調(diào)試步驟
按照原理圖上的參數(shù)在印制電路板上焊接好元器件之后,仔細檢查元器件的取值、焊接方向、元器件的極性是否焊接正確,用萬用表仔細檢測元器件的焊接是否存在虛焊,靠得比較近的元器件是否存在不應(yīng)該存在的短路現(xiàn)象。
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