李 頎，胡海強(qiáng)，翟 佳

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

隨著全球節(jié)能需求的不斷提高和各種工業(yè)現(xiàn)場對嵌入式手持設(shè)備功能要求不斷提高，使得對嵌入式手持終端電源管理［1-2］的要求也在不斷地提高。電源管理是將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。優(yōu)秀的電源管理能夠?qū)㈦姵貕勖娱L兩到三倍。開發(fā)設(shè)計一款具有性能穩(wěn)定且低功耗［3-4］的嵌入式手持設(shè)備顯得越來越重要。針對這一問題，本文介紹了基于PXA320嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1 PXA320電源管理

1.1 手持終端核心處理器的芯片介紹

Marvell公司的PXA320為32 bit的兼容 ARM V5TE構(gòu)架，其性能高于ARM11，其最高運(yùn)行頻率可達(dá)624 MHz～802 MHz并且實現(xiàn)軟件完全兼容。其提供了豐富的硬件接口資源支持多種Flash包括Nand和Nor設(shè)備，采用16 bit DDR隨機(jī)存儲器最高頻率可達(dá)260 MHz。內(nèi)部64 bit高速總線交換和多通道技術(shù)使得處理速度更快。26 MHz的MMC/SD接口3個、3.6 Mbit/s的UART接口3個以及26 MHz的SSP接口4個方便連接各種外部設(shè)備。專用LCD接口和攝像頭接口支持多種類型的LCD和Camera設(shè)備。多達(dá)128個GPIO接口可靈活使用等。Intel的SpeedStep技術(shù)可以通過軟件和硬件動態(tài)調(diào)整工作電壓與工作頻率，有效提高電池在使用視頻、音頻播放功能以及其他各種應(yīng)用時的續(xù)航能力。同時該系列的處理器與PXA27X系列相比，新元件減少的功耗多達(dá)60%。

1.2 PXA320電源管理方式

PXA320處理器總共提供了6種電源模式，分別為:正常模式、閑置、深度閑置、待機(jī)、睡眠和深度睡眠。其中后6種模式歸結(jié)為空閑電源模式。為降低系統(tǒng)功耗，PXA320要最多時間地處于空閑電源模式。這樣外圍設(shè)備例如:Flash、SDRAM等也會隨之進(jìn)入空閑模式。

進(jìn)入空閑狀態(tài)，主要是通過編程實現(xiàn)。通過向PWRMODE［M］寄存器寫入0b001可進(jìn)入閑置模式。該模式下，除了CPU時鐘停止工作，其他外部和系統(tǒng)都正常工作。通過向待機(jī)配置寄存器Standby Configuration Register(PSTR)賦值并配置存儲器控制器可進(jìn)入待機(jī)模式。該模式下，所有處理器行為停止，對CPU中斷進(jìn)行監(jiān)控。通過對睡眠模式配置寄存器進(jìn)行設(shè)定，使睡眠和深度睡眠狀態(tài)DC-DC轉(zhuǎn)換器開始工作，停止LCD控制器。在該模式下，所有處理器行為停止，對CPU核的中斷請求忽略。除了RTC處理器的內(nèi)外部時鐘停止。

1.3 系統(tǒng)正常模式下供電需求

在正常模式下，PXA320及其外圍部件都需要供電。該手持終端基于高性能PXA320處理器的各種接口實現(xiàn)了強(qiáng)大的擴(kuò)展性。手持終端的系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。其中主處理器PXA320是實現(xiàn)手持終端的核心芯片。外部電源通過智能電源管理芯片LP3972為系統(tǒng)提供電源。NANDFLASH選用三星公司的K9F1G08GUOM，存儲容量為1G，總線結(jié)構(gòu)為1 G×8 bit。DDR SDRAM選用2片型號為K4X1G163PC，容量大小為64 M×16 bit。外圍模塊是由RFID模塊、藍(lán)牙和WiFi模塊、語音模塊、攝像頭模塊和LCD模塊等組成。

CC1101的供電電壓為1.8 V～3.6 V;藍(lán)牙BTS4025芯片所需的接口電壓和工作模式電壓為3.0 V。WiFi芯片AR6002GZ的電源有四路:內(nèi)核處理器1.2 V、EEPROM電源1.8 V、接口電平3.0 V和電池電源。WM9713L芯片運(yùn)行的電壓范圍為1.8 V～3.6 V。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 電源管理硬件的實現(xiàn)

LP3972是一個多功能可編程電源管理芯片。它提供了6路的LDO輸出和3路DC-DC輸出電源。其中2路動態(tài)可調(diào)的DC-DC提供處理器內(nèi)核與內(nèi)部靜態(tài)存儲器，另2路DC-DC提供IO接口、外部存儲器和其他外部設(shè)備。除電源轉(zhuǎn)換功能外，芯片還提供了I2C接口可軟件控制各路電源輸出的電平以及開關(guān)狀態(tài)、電池電壓的低電檢測功能和復(fù)位信號輸出功能。DC-DC開關(guān)電源降壓電路相比較于線性LDO電源，具有更高的效率，可以做到更大的電流。DCDC1提供PXA320處理器的核心電壓。DC-DC2輸出電壓為3.3 V，其驅(qū)動電流為1 600 mA，主要用于大部分外圍設(shè)備和與之相對應(yīng)的接口電壓的匹配供電。DC-DC3主要用于為外部存儲器供電，包括內(nèi)存DDR和閃存FLASH。PXA320處理器可以通過IIC總線并結(jié)合Linux操作系統(tǒng)可以對其進(jìn)行控制，實現(xiàn)動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)、休眠喚醒、各模塊電壓的控制和調(diào)節(jié)RFID模塊的關(guān)閉打開等功能。系統(tǒng)供電電源硬件電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)供電電源硬件電路圖

3 電源管理芯片驅(qū)動軟件的實現(xiàn)

首先要定義的是平臺設(shè)備結(jié)構(gòu)。該平臺結(jié)構(gòu)包含與物理設(shè)備相關(guān)的信息。LP3972設(shè)備結(jié)構(gòu)定義如下:

由于LP3972芯片由6個LDO和3個DC-DC輸出需要控制，在LP3972結(jié)構(gòu)體內(nèi)又定義了4個結(jié)構(gòu)體類型。

LP3972智能電源管理芯片是由于其與處理器通過IIC總線連接。處理器可通過該總線向LP3972發(fā)送和接收數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對其輸出電壓值的有效控制。下面程序為在linux下PXA320處理器對LP3972芯片的讀寫操作。

下面程序為處理器對LP3972智能電源管理芯片6路LDO和3路DC-DC輸出電壓的調(diào)節(jié)。其主要是通過使該程序中事先定義好的輸出LDO的值有效，然后通過IIC總線傳輸給LP3972，LP3972最終獲得該值。如圖3所示為電壓調(diào)節(jié)流程圖。

圖3 電壓調(diào)節(jié)流程圖

4 工作過程

為避免對處理器造成損壞，PXA320的供電必須按照特定的順序提供。PXA320的上電復(fù)位過程描述如下:

LP3972電源管理芯片向 PXA320處理器的VCC_BBATT引腳提供一個固定的電壓，并使復(fù)位信號nRESET有效。通過nRESET信號保持50 ms后無效，和在LP3972使nBATT_FAULT無效來提示PXA320處理器的電源供應(yīng)正常。當(dāng)SYS_EN信號有效，電源管理芯片使能高電源供應(yīng)區(qū)域，處理器進(jìn)入125 ms的倒計時，此時處理器的VCC_PLL、VCC_OSC13M(13MHz晶體振蕩器電壓)、VCC_BG(基準(zhǔn)源電壓)以及VCC_MVT(內(nèi)部邏輯以及I/O控制器的電壓)首先被供應(yīng)電壓，其他高電源區(qū)域的電壓隨即有效。125 ms倒計時，內(nèi)部鎖相環(huán)以及13 MHz晶振供電后，處理器開始執(zhí)行代碼。125 ms倒計時結(jié)束后，處理器置PWR_EN信號有效，使能低電源供應(yīng)區(qū)域。PXA320處理器啟動后，為保持電源選通，首先應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的 GPIO口輸出高電平到LP3972的POWERRACK引腳。如果等待一段時間后，POWERRACK仍為低電平，則 LP3972的 LDO和DC-DC輸出重新切斷。圖4為通過LP3972來對PXA320系統(tǒng)開關(guān)機(jī)流程圖。

圖4 系統(tǒng)開關(guān)機(jī)流程

5 結(jié)論

LP3972電源管理芯片在5 V輸入時，其DCDC的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)到95%。本文在休眠狀態(tài)和待機(jī)狀態(tài)對該手持設(shè)備與通用ARM9手持設(shè)備進(jìn)行了電流測量比較，結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)功耗

測量結(jié)果可以看出以，對以PXA320為核心且采用LP3972電源管理芯片的手持設(shè)備進(jìn)行了軟硬件設(shè)計后，手持設(shè)備的功耗降低。通過對其整體性能的測試，在實驗階段該手持終端軟硬件可以穩(wěn)定的運(yùn)行。

［1］周建政，呂柏權(quán).基于Linux嵌入式的電源管理的研究［J］.儀表技術(shù)，2008，1(1):59-61.

［2］CliveW.Dynamic ManagementofEnergy Consumption in Embedded Systems［J］.Information Quarterly，2003，2(3):- .

［3］陸希玉，唐昆，崔慧娟.基于嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計［J］.微計算機(jī)信息，2005(10):4-6.

［4］Daisuke M，Yutaka I.Process Oriented Power Management［C］//Proc of the 2nd International Symposium on Industrial Embedded Systems.Lisbon，Portugal:［s.n.］.2007.

［5］LP3972 Power Management Unit for Advanced Application Processors［S］.2008.

［6］Steve B Furber， ， ，et al.Power Management in the Amulet Microprocessor［C］//IEEE Design and Test of Computers.2001.

［7］Yung-Hsiang Lu， ， ，et al.Computing System-Level Power Management Policies［C］//IEEE Design and Test of Computers.2001

［8］嚴(yán)惠瓊，都思丹.新型National系列半導(dǎo)體電源芯片分析綜述［J］.南京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2007，1(43):35-46.

［9］李丹.嵌入式系統(tǒng)的電源特性［J］.成都大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008(1):56-58.

［10］狄巨星，趙建光，司亞超，等.嵌入式無線安防監(jiān)控系統(tǒng)電源研究［J］.電源技術(shù)，2012(7):1033-1045.