狄巨星，趙建光，司亞超，賈 濱， 范晶晶

（河北建筑工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系，河北 張家口 075024）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及電子技術(shù)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(diǎn)廣泛應(yīng)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(fèi)類產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)，而硬件電路中電源電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試則是系統(tǒng)硬件調(diào)試成功的關(guān)鍵[1]。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，以無線安防監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試為例，分析討論嵌入式系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法。

1 嵌入式無線安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 嵌入式無線安防監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用Samsung公司的S3C2410A微處理器作為主控芯片，安防檢測(cè)端結(jié)構(gòu)如圖1所示，檢測(cè)端由S3C2410A實(shí)現(xiàn)控制。其核心部分主要包括GPRS控制、GPS控制、各種報(bào)警傳感器控制、以及外圍接口控制。CPU內(nèi)嵌PPP及TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)分別通過串行口UART0去控制GPRS的工作，通過串行口UART1控制GPS的運(yùn)行。

圖1 無線安防監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控端結(jié)構(gòu)

其中：（1）ARM對(duì)GPRS的控制主要是通過串口UART0發(fā)送AT命令實(shí)現(xiàn)。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CPU可通過控制I/O口的高低電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS的復(fù)位，主程序一旦運(yùn)行，就不斷進(jìn)行GPRS模塊的異常檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況立刻通過控制I/O口的電平實(shí)現(xiàn)復(fù)位[2]。

（2）ARM對(duì)GPS的控制主要通過串口UART1發(fā)送控制命令實(shí)現(xiàn)(GPS采樣周期的設(shè)置、GPS輸出數(shù)據(jù)選擇、通訊波特率的設(shè)置等)。同時(shí)，通過串口UART1接收GPS數(shù)據(jù)信息[3]。

（3）ARM對(duì)其它外圍接口的控制主要通過GPIO接口實(shí)現(xiàn)開關(guān)的輸入/輸出。

（4）ARM對(duì)系統(tǒng)整體控制：首先，ARM完成對(duì)GPS、GPRS及外圍接口電路的初始化工作，并檢測(cè)各種安防傳感器的狀態(tài)（紅外對(duì)射傳感、防撬壓力傳感等）；其次，ARM不斷監(jiān)聽GPIO的輸入狀態(tài)，當(dāng)有報(bào)警信號(hào)輸入時(shí)，啟動(dòng)GPS模塊，開始接收定位信息，并將此信息存儲(chǔ)在flash內(nèi)；向串口UART0發(fā)送AT命令啟動(dòng)信息發(fā)送功能，并將GPS接收到的數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到報(bào)警主機(jī)和移動(dòng)終端。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)安防系統(tǒng)中，涉及到監(jiān)控中心服務(wù)器軟件、安防檢測(cè)端主機(jī)、底層軟件。在此，僅介紹安防檢測(cè)端主機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。程序框圖如圖2所示。

當(dāng)系統(tǒng)完成初始化之后，即進(jìn)入GPIO模塊中，此模塊主要讀取來自I/O端口的電平信號(hào)，當(dāng)有報(bào)警信號(hào)輸入時(shí)此I/O端口的電平將發(fā)生變化，CPU檢測(cè)到電平變化后進(jìn)入GPS數(shù)據(jù)處理模塊，若沒有檢測(cè)到電平的變化將循環(huán)檢測(cè)，直到檢測(cè)到電平變化；CPU檢測(cè)到信號(hào)隨即進(jìn)入GPS數(shù)據(jù)處理模塊，首先設(shè)置GPS的參數(shù)如波特率等，隨后接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)通過串口傳送到CPU，并存儲(chǔ)到flash中，完成存儲(chǔ)后，啟動(dòng)GPRS模塊。在此模塊中首先讀取存儲(chǔ)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，發(fā)送AT命令啟動(dòng)信息發(fā)送功能，啟動(dòng)成功后將衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為待發(fā)送的信息內(nèi)容，進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送成功后返回，并檢測(cè)是否有接收的新信息，如有讀取指令，CPU接收到讀取的指令后進(jìn)入指令處理模塊進(jìn)行指令分析，根據(jù)指令表采取相應(yīng)措施[4]。

監(jiān)控中心或者移動(dòng)終端接收到報(bào)警信息后，可發(fā)送相應(yīng)的緊急處理指令，發(fā)送的指令將被GPRS模塊讀取并傳送到ARM，再根據(jù)指令表采取相應(yīng)措施。

2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

ARM有5種類型的電源引腳：VDDCORE引腳用于向內(nèi)核供電，一般為1.8 V；VDDPLL、VDDOSC分別給PLL或者振蕩器供電，一般為1.8 V；VDDIOP、VDDIOM分別用于給外設(shè)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3.3 V。此外，系統(tǒng)的鍵盤、顯示電路的供電電壓需要+5 V電源。因此，本控制系統(tǒng)需要使用3組電源。通過對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的控制要求和性能進(jìn)行分析，確定本系統(tǒng)的負(fù)載電流大約為3 A。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+3.3 V和+5 V電源。由于系統(tǒng)內(nèi)核電源供電要求1.8 V，因此系統(tǒng)應(yīng)采用二級(jí)電源轉(zhuǎn)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(nèi)核電源轉(zhuǎn)換芯片，把+3.3 V穩(wěn)壓成+1.8 V，為處理器內(nèi)核提供工作電源。系統(tǒng)電源電路如圖3所示。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(duì)于減小輸出紋波、輸出噪聲以及負(fù)載電流變化的影響有較好的效果，根據(jù)穩(wěn)壓器自身的工作要求，電容分別選用10、100 μF 的電解電容。

圖3 系統(tǒng)電源電路圖

2.2 系統(tǒng)電源的調(diào)試

依據(jù)電路圖焊接好元器件之后，仔細(xì)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(jìn)行上電調(diào)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(diào)為+6 V，用示波器檢查系統(tǒng)電源的1.8、3.3、5 V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(jīng)被燒成黑色，原因是C6的正負(fù)極性接反了。換了新電容焊接正確后上電調(diào)試，1.8、5 V電壓輸出端正常，而3.3 V電壓輸出端電壓不到3 V。查看穩(wěn)壓芯片LM2576的數(shù)據(jù)手冊(cè)之后，調(diào)節(jié)輸入電源Vin，同時(shí)檢測(cè)三組系統(tǒng)電源的電壓值，當(dāng)三組電源輸出正確時(shí)，輸入電壓Vin的值為6.7 V左右。由于本控制系統(tǒng)的負(fù)載電流大約是3 A，因此在電路中加入負(fù)載電流為3 A的負(fù)載電阻，以此來測(cè)試系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性。經(jīng)過調(diào)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(diào)試成功[5]。

2.3 嵌入式Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)電源管理

Linux支持兩種電源管理標(biāo)準(zhǔn)，即APM和ACPI。APM是傳統(tǒng)的高級(jí)電源管理方案，目前使用在許多基于Linux的便攜式設(shè)備中；而ACPI(Advanced Configtlrationand Power Interface)則提供了更為靈活的電腦和設(shè)備管理接口。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不能同時(shí)運(yùn)行，默認(rèn)情況下Linux運(yùn)行ACPI。APM可以使機(jī)器處于Suspend（懸掛）或Standby（待機(jī)）狀態(tài)，并檢查電池容量；而ACPI還可以使外設(shè)（如顯示器、PCI）單獨(dú)斷電，在節(jié)省電能方面有更多的控制，其在PDA和新一代的手機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。為了讓電源管理功能生效，需要在Linux內(nèi)核打開它，并且在Linux里加載必需的應(yīng)用軟件。電源管理活動(dòng)需要對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行特殊的干預(yù)，在嵌入式Linux中，雖然低層電源管理駐留在操作系統(tǒng)內(nèi)核中，但電源管理策略和機(jī)制來源于中介軟件和用戶應(yīng)用程序代碼。Linux內(nèi)核中電源管理機(jī)制負(fù)責(zé)維持整個(gè)系統(tǒng)的電源狀態(tài)，它可以看成是為驅(qū)動(dòng)程序、中介軟件和應(yīng)用程序提供服務(wù)的元素。通過在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)電源管理接口，可以讓驅(qū)動(dòng)程序密切監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，在外部事件的驅(qū)動(dòng)下，通過設(shè)定不同的狀態(tài)反映設(shè)備的工作情況。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備電源管理接口，需要實(shí)現(xiàn)以下操作：

(1)使用pm_register對(duì)設(shè)備的每個(gè)實(shí)例(instance)進(jìn)行注冊(cè)；

(2)在對(duì)硬件進(jìn)行操作之前調(diào)用pm_access(這樣可保證設(shè)備已被喚醒，并處于ready狀態(tài))；

(3)用戶自己的pnl_callback函數(shù)在系統(tǒng)進(jìn)入suspend狀態(tài)，或者從suspend狀態(tài)恢復(fù)的時(shí)候會(huì)被調(diào)用；

(4)當(dāng)設(shè)備不使用時(shí)調(diào)用pm_dev_idle函數(shù)(這個(gè)操作是可選的，以增強(qiáng)設(shè)備對(duì)idle狀態(tài)的監(jiān)測(cè)能力)；

(5)當(dāng)被unload的時(shí)候，使用pm_unreggister取消設(shè)備的注冊(cè).中介程序允許用戶預(yù)先定義某些策略，然后跟蹤電源狀態(tài)，執(zhí)行特定的操作.在應(yīng)用程序中，利用中介程序提供的API設(shè)立其基本的約束條件，強(qiáng)迫電源管理機(jī)制產(chǎn)生與其執(zhí)行需求相匹配的變化。

Linux電源管理的實(shí)現(xiàn)機(jī)制包括以下API：

(1)dpm_set_OS()（內(nèi)核）

(2)assert_constraint()

(3)remove_constraint()

(4)set_operatInK_state()（內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序）

(5)set_policy()

(6)set_task_state()（經(jīng)系統(tǒng)的用戶級(jí)調(diào)用）以及/proc接口。

目前，很多嵌入式CPU都具有能降低功耗的電源工作模式，最常用的是空閑模式，此時(shí)CPU內(nèi)核指令執(zhí)行部分關(guān)閉，而所有外設(shè)和中斷信號(hào)仍處于工作狀態(tài)。由于空閑模式比CPU執(zhí)行指令時(shí)的功耗要小得多，因而可以在任何時(shí)候，只要Linux檢查到所有線程都處于阻塞狀態(tài)（如等待中斷、事件或定時(shí)時(shí)間）時(shí)，它都可以將CPU置于空閑模式。任何中斷（如觸摸屏事件、按下按鍵事件等）都能把CPU從空閑模式中喚醒，然后繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼。如果事件不能直接連接到外部中斷，也可以用一個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器定期喚醒CPU，例如在等待一個(gè)事件并且知道只要事件發(fā)生后在10 ms內(nèi)能檢測(cè)到，那么可以啟動(dòng)10 ms定時(shí)器，并把CPU置于空閑模式，每次處理定時(shí)中斷時(shí)都要檢查事件狀態(tài)，如果狀態(tài)沒有變化，就立刻回到空閑。

通常，CPU的定時(shí)中斷間隔為1 ms，Linux會(huì)頻繁使CPU置于空閑模式，并一直維持到被中斷喚醒.在這種情況下，最有可能喚醒CPU中斷的是定時(shí)器中斷本身，即使所有其他線程被阻塞，在其他中斷、內(nèi)部事件及長時(shí)間延遲之前，定時(shí)器中斷也會(huì)以每秒100 Hz的頻率把CPU從空閑模式中喚醒，以運(yùn)行調(diào)度程序，就算調(diào)度程序確定所有線路都被阻塞，并很快將CPU回復(fù)到空閑模式。這樣的頻繁操作會(huì)浪費(fèi)大量電源，因此，應(yīng)盡可能長時(shí)問地將CPU置于空閑模式，而減少事件是解決這個(gè)問題的有效途徑。

此外，通過分析代碼和系統(tǒng)要求，可決定是否能改變處理中斷的方式實(shí)現(xiàn)，例如，可以在進(jìn)入空閑模式前關(guān)閉時(shí)隙中斷信號(hào)，只有再次出現(xiàn)中斷信號(hào)時(shí)才被喚醒，這種做法通常不太合適。盡管多數(shù)阻塞的線程可以直接或間接等待外部中斷，但有些還是會(huì)依賴于定時(shí)中斷，如一個(gè)驅(qū)動(dòng)器會(huì)在等待外設(shè)時(shí)睡眠500 ms，此時(shí)的空閑模式下如果完全關(guān)閉系統(tǒng)定時(shí)器，可能意味著線程不能按時(shí)恢復(fù)工作，Linux最好能為調(diào)度程序進(jìn)行可變計(jì)劃超時(shí)設(shè)定。雖然Linux知道每個(gè)線程無法確定等待的是外部還是內(nèi)部事件，或者計(jì)劃在某特定時(shí)間再次運(yùn)行，但Linux可算出第一個(gè)線程預(yù)定何時(shí)運(yùn)行，并相應(yīng)地在CPU置于空閑模式之前設(shè)定定時(shí)器工作?？勺冇?jì)劃超時(shí)設(shè)定不會(huì)對(duì)調(diào)度程序造成很大的負(fù)擔(dān)，但卻能節(jié)省電源和處理時(shí)間。

可變計(jì)劃超時(shí)設(shè)定只是減少事件的一種方法，存儲(chǔ)器直接存取(DMA)也可讓CPU長時(shí)間處于空閑模式，即使數(shù)據(jù)正在發(fā)送至外設(shè)或從外設(shè)收取。因此，只要有可能，都應(yīng)在外圍驅(qū)動(dòng)器中使用DMA，這樣做可以達(dá)到較好的省電效果。

3 結(jié)束語

電源特性對(duì)嵌入式產(chǎn)品的性能有很大的影響，通過對(duì)電源本身的設(shè)計(jì)構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)以及對(duì)微操作系統(tǒng)和軟件處理對(duì)電源進(jìn)行管理，可以在系統(tǒng)運(yùn)行過程中減小對(duì)電能的消耗，二者結(jié)合對(duì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)起到很好的促進(jìn)作用。

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