淺析醫(yī)用動(dòng)態(tài)電源管理模塊設(shè)計(jì)方案

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。

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);

◆ 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3.4V。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))。控制端口是GPC2，0為打開，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/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：

(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。