基于PXA320嵌入式手持终端电源管理的设计*

李 颀，胡海强，翟 佳

(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021)

随着全球节能需求的不断提高和各种工业现场对嵌入式手持设备功能要求不断提高，使得对嵌入式手持终端电源管理［1-2］的要求也在不断地提高。电源管理是将电源有效分配给系统的不同组件。优秀的电源管理能够将电池寿命延长两到三倍。开发设计一款具有性能稳定且低功耗［3-4］的嵌入式手持设备显得越来越重要。针对这一问题，本文介绍了基于PXA320嵌入式手持终端电源管理系统的设计方案。

1 PXA320电源管理

1.1 手持终端核心处理器的芯片介绍

Marvell公司的PXA320为32 bit的兼容 ARM V5TE构架，其性能高于ARM11，其最高运行频率可达624 MHz～802 MHz并且实现软件完全兼容。其提供了丰富的硬件接口资源支持多种Flash包括Nand和Nor设备，采用16 bit DDR随机存储器最高频率可达260 MHz。内部64 bit高速总线交换和多通道技术使得处理速度更快。26 MHz的MMC/SD接口3个、3.6 Mbit/s的UART接口3个以及26 MHz的SSP接口4个方便连接各种外部设备。专用LCD接口和摄像头接口支持多种类型的LCD和Camera设备。多达128个GPIO接口可灵活使用等。Intel的SpeedStep技术可以通过软件和硬件动态调整工作电压与工作频率，有效提高电池在使用视频、音频播放功能以及其他各种应用时的续航能力。同时该系列的处理器与PXA27X系列相比，新元件减少的功耗多达60%。

1.2 PXA320电源管理方式

PXA320处理器总共提供了6种电源模式，分别为:正常模式、闲置、深度闲置、待机、睡眠和深度睡眠。其中后6种模式归结为空闲电源模式。为降低系统功耗，PXA320要最多时间地处于空闲电源模式。这样外围设备例如:Flash、SDRAM等也会随之进入空闲模式。

进入空闲状态，主要是通过编程实现。通过向PWRMODE［M］寄存器写入0b001可进入闲置模式。该模式下，除了CPU时钟停止工作，其他外部和系统都正常工作。通过向待机配置寄存器Standby Configuration Register(PSTR)赋值并配置存储器控制器可进入待机模式。该模式下，所有处理器行为停止，对CPU中断进行监控。通过对睡眠模式配置寄存器进行设定，使睡眠和深度睡眠状态DC-DC转换器开始工作，停止LCD控制器。在该模式下，所有处理器行为停止，对CPU核的中断请求忽略。除了RTC处理器的内外部时钟停止。

1.3 系统正常模式下供电需求

在正常模式下，PXA320及其外围部件都需要供电。该手持终端基于高性能PXA320处理器的各种接口实现了强大的扩展性。手持终端的系统硬件框图如图1所示。其中主处理器PXA320是实现手持终端的核心芯片。外部电源通过智能电源管理芯片LP3972为系统提供电源。NANDFLASH选用三星公司的K9F1G08GUOM，存储容量为1G，总线结构为1 G×8 bit。DDR SDRAM选用2片型号为K4X1G163PC，容量大小为64 M×16 bit。外围模块是由RFID模块、蓝牙和WiFi模块、语音模块、摄像头模块和LCD模块等组成。

CC1101的供电电压为1.8 V～3.6 V;蓝牙BTS4025芯片所需的接口电压和工作模式电压为3.0 V。WiFi芯片AR6002GZ的电源有四路:内核处理器1.2 V、EEPROM电源1.8 V、接口电平3.0 V和电池电源。WM9713L芯片运行的电压范围为1.8 V～3.6 V。

图1 系统硬件框图

2 电源管理硬件的实现

LP3972是一个多功能可编程电源管理芯片。它提供了6路的LDO输出和3路DC-DC输出电源。其中2路动态可调的DC-DC提供处理器内核与内部静态存储器，另2路DC-DC提供IO接口、外部存储器和其他外部设备。除电源转换功能外，芯片还提供了I2C接口可软件控制各路电源输出的电平以及开关状态、电池电压的低电检测功能和复位信号输出功能。DC-DC开关电源降压电路相比较于线性LDO电源，具有更高的效率，可以做到更大的电流。DCDC1提供PXA320处理器的核心电压。DC-DC2输出电压为3.3 V，其驱动电流为1 600 mA，主要用于大部分外围设备和与之相对应的接口电压的匹配供电。DC-DC3主要用于为外部存储器供电，包括内存DDR和闪存FLASH。PXA320处理器可以通过IIC总线并结合Linux操作系统可以对其进行控制，实现动态电压频率调节、休眠唤醒、各模块电压的控制和调节RFID模块的关闭打开等功能。系统供电电源硬件电路图如图2所示。

图2 系统供电电源硬件电路图

3 电源管理芯片驱动软件的实现

首先要定义的是平台设备结构。该平台结构包含与物理设备相关的信息。LP3972设备结构定义如下:

由于LP3972芯片由6个LDO和3个DC-DC输出需要控制，在LP3972结构体内又定义了4个结构体类型。

LP3972智能电源管理芯片是由于其与处理器通过IIC总线连接。处理器可通过该总线向LP3972发送和接收数据来实现对其输出电压值的有效控制。下面程序为在linux下PXA320处理器对LP3972芯片的读写操作。

下面程序为处理器对LP3972智能电源管理芯片6路LDO和3路DC-DC输出电压的调节。其主要是通过使该程序中事先定义好的输出LDO的值有效，然后通过IIC总线传输给LP3972，LP3972最终获得该值。如图3所示为电压调节流程图。

图3 电压调节流程图

4 工作过程

为避免对处理器造成损坏，PXA320的供电必须按照特定的顺序提供。PXA320的上电复位过程描述如下:

LP3972电源管理芯片向 PXA320处理器的VCC_BBATT引脚提供一个固定的电压，并使复位信号nRESET有效。通过nRESET信号保持50 ms后无效，和在LP3972使nBATT_FAULT无效来提示PXA320处理器的电源供应正常。当SYS_EN信号有效，电源管理芯片使能高电源供应区域，处理器进入125 ms的倒计时，此时处理器的VCC_PLL、VCC_OSC13M(13MHz晶体振荡器电压)、VCC_BG(基准源电压)以及VCC_MVT(内部逻辑以及I/O控制器的电压)首先被供应电压，其他高电源区域的电压随即有效。125 ms倒计时，内部锁相环以及13 MHz晶振供电后，处理器开始执行代码。125 ms倒计时结束后，处理器置PWR_EN信号有效，使能低电源供应区域。PXA320处理器启动后，为保持电源选通，首先应设置相应的 GPIO口输出高电平到LP3972的POWERRACK引脚。如果等待一段时间后，POWERRACK仍为低电平，则 LP3972的 LDO和DC-DC输出重新切断。图4为通过LP3972来对PXA320系统开关机流程图。

图4 系统开关机流程

5 结论

LP3972电源管理芯片在5 V输入时，其DCDC的转换效率最高可达到95%。本文在休眠状态和待机状态对该手持设备与通用ARM9手持设备进行了电流测量比较，结果如表1所示。

表1 系统功耗

测量结果可以看出以，对以PXA320为核心且采用LP3972电源管理芯片的手持设备进行了软硬件设计后，手持设备的功耗降低。通过对其整体性能的测试，在实验阶段该手持终端软硬件可以稳定的运行。

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