提高军用手持机续航能力设计

刘彩霞

（解放军92723部队北京 100841）

提高军用手持机续航能力设计

刘彩霞

（解放军92723部队北京 100841）

电源续航能力是军用手持机设计的关键指标之一，它直接关系到一款手持机是否可用。在电池容量一定的情况下，提高军用手持机续航能力的关键是：设计低功耗硬件平台,重点考虑CPU选型、彩色屏幕选择、电源芯片选择和供电电路设计；采用动态电源管理技术；最大限度优化软件等。

军用手持机低功耗动态电源管理背光省电技术

1 引言

电源续航能力对军用手持机，如单兵系统、无线电通讯、手持终端等设备而言是非常重要的指标，一款手持机是否可用，高续航能力是手持机设计的关键因素之一。一般而言，手持机都采用锂电池供电。目前锂电池电芯制造技术水平使电芯单位体积的电池容量己经接近锂电池的极限。如果要提高电池容量就只有把锂电池的体积扩大以增加电量。而手持机用户对体积轻巧的要求，无法接受更大体积的电池。因此在电池容量一定的情况下，要提高手持机的续航能力，低功耗硬件平台、动态电源管理以及尽可能优化软件是手持机设计的关键。

2 低功耗硬件平台设计

要提高手持机的续航能力，在满足手持机实用功能的情况下，低功耗硬件平台设计是首要问题。而在低功耗硬件平台的设计中以下几个问题是设计的重点。

2.1 CPU选型

在满足技术性能指标的前提下，应尽量采用低功耗的工业级产品，这样既可以满足其实用性也可以最大限度降低手持机的功耗。第二，在设计中应选用低功耗并具有多种工作模式的CPU，这样可以针对不同的任务处理需要，选用不同的工作模式，实现最大限度地控制功耗。第三，CPU的功率消耗分为两大部分：内核消耗功率和外部接口控制器消耗功率，总的功率等于两者之和。对于内核消耗功率，关键在于其供电电压

和时钟频率；而外部接口控制器消耗功率，除了各个专门I/O控制器的功耗外，地址和数据总线宽度对功率消耗影响很大。由此可见，当CPU确定后，可以通过降低频率和电压来减少系统的功耗。现在CPU的主频越来越高，由于军用手持机通常功能比较单一，有时不需要太高的主频，拿过高频率的处理器运行简单的程序，会造成资源的严重浪费，因此选用能够动态调整主频的CPU有助于降低手持机功耗。在CPU的选择方面，我们推荐采用Intel的XScale芯片。比如，Intel XScale PXA27x是一款专门为手持设备设计的SOC芯片，其处理器主频可运行于312／416／520／624MHZ等4种不同频率，并且内置64MB的堆栈型内存。PXA27x加入了Intel独有的SpeedStep动态电源管理技术，能根据系统需要动态调节CPU的性能，在保证CPU性能的情况下，最大限度地降低移动设备功耗[1]，成为高端移动设备中最受欢迎的处理器之一。

2.2 彩色屏幕选择

手持机的彩色屏幕耗电大约占手持机整机耗电量的50%，因此选择合适的彩色屏幕对于手持机续航能力的提高具有非常重要的意义。手持机的彩色屏幕因为LCD品质和研发技术不同而有所差异，其种类大致有TFT、TFD、UFB、STN和OLED几种。一般来说，显示的颜色越多越能显示复杂的图像，画面的层次也更丰富，但耗电也更大。因此彩色屏幕的选择和低功耗设计是一个非常大的挑战。

对于大多数军用手持机来说一般不需要显示非常复杂的图形和太多动态的图像，因此可选用低功耗的OLED显示屏。OLED宽温参数好，且与LCD屏相比，不需背光，电流在lOm A以内，亮度可调，因此功耗很小。也可以选用半反半透型的TFT液晶屏，阳光下可视，在光线比较好的环境下，可以关闭背光逆变器，非常节省能耗。

2.3 电源芯片选择

电源设计中电源芯片应选用高效率器件，以提高电源效率。要正确选择电源芯片，首先，要明确各个电路和器件所需要的输入电压和输出电压。其次，要注意芯片的静态电流，好的电源芯片的静态电流在μA级，较差的芯片在m A级，相差上千倍。静态电流越小，电池的能耗就越少，寿命就越长。再次，注意要从实际的负载来考察效率，电源效率与输出电流是密切相关的，当输出电流很小或很大时，效率都会下降，因此要根据需要的电流来选择电源芯片，以达到效率最大化。

2.4 供电电路设计

手持机一般会集成多个外部设备接口，比如Intel XScale PXA27x处理器支持USB接口、RS232串口以及多种多媒体接口。为降低电路功耗，应该为LCD、USB接口、RS232串口以及各个多媒体接口均设计独立供电电路，并且供电电路采用GPIO控制，当电路不工作时关闭电源，最大限度降低功耗。

3 动态电源管理设计

电源设计与电源管理是手持机开发的重要环节，直接关系到电池的使用时间和整个系统工作的可靠性。系统不可能始终处于满负荷状态，因为系统的状态随时都在改变。电源管理通过动态工作模式的调整实现系统整体能耗的最优化。动态电源管理可让系统动态调整处理器电压和内核频率，在需要的时候充足供电，在不需要的时候节能省电，从而达到降低功耗的目的。因此在电源设计中应采用具备休眠或等待状态的低功耗元器件，便于CPU管理与控制。在设计中，电源管理必须实现系统功耗模式的切换。—般来说，系统功耗模式包括常规模式、空闲模式、休眠模式和睡眠模式。如图1所示：

常规模式是指所有电源供应被打开，所有功能始终被提供；

空闲模式允许用户停止对CPU时钟信号的供应，此模式不改变时钟信号的频率，当有中断产生时，CPU会被立刻激活；

休眠模式是把应用环境保存在闪存上，当重新开机时，程序把应用环境状态从闪存里读出，重新初始化后即可进入休眠前的工作状态；

睡眠模式下关闭处理器核的电源供应，电源管理器开始监视等待一个唤醒事件，当接收到事件后，重新提供电源，并执行复位操作。

图1系统功耗模式转换图

Intel XScale PXA27x低功耗处理器采用的增强型动态电源管理技术（Intel SpeedStep）更是将省电模式细分为6种，包

括:常规模式、空闲模式、深度空闲模式、待机模式、睡眠模式、深度睡眠模式，让手持设备在不同情境下能达到最佳电力配置，最高能节省50%的能耗。IntelSpeedStep动态节能技术主要通过缩短与更改电压／频率(称为P-state)相关的等待时间，实际上更频繁地进行这些转换，获得更详细的电源／性能平衡优化，从而大幅降低平均功耗[2]。

4 软件优化设计

4.1 背光省电技术

手持机显示系统因为背光的关系，耗电量是非常惊人的，某些类型的手持机的背光系统可达整机功耗的90%以上。目前较实际可行的背光省电技术有2种，即根据环境光调节背光技术和根据内容调节背光技术。根据环境光调节背光技术根据环境光的改变来调整背光，处理器会去读取光传感器的数值，了解目前环境光的强弱，然后将数值告诉LCD驱动，驱动程序将按照此数值动态的补偿画面并调整背光信号。根据内容调节背光技术则根据目前显示的画面随时作省电调整。当处理器传送—张图片数据到LCD，分析器会统计分析欲显示的画面数据，然后根据每个影像的统计图以及相关的设定重新计算补偿之后得到的新画面数据，并同步决定背光省电幅度，再依此数值动态调节背光信号来减少背光电流的消耗。

4.2 通过软件实现动态电源管理

所谓通过软件实现动态电源管理是根据设备实际工作状态，给需要的电路供电，对一段时间内不工作的电路断电，实时地调整供电控制，达到节省功耗的效果。例如，当多媒体接口不做相应的数据处理时，采取静音省电技术或采用GPIO供电控制开关，可以有效地减少额外语音处理带来的不必要功耗。同理，当需要USB接口或RS232串口传输大量数据时，可以考虑提高主频或提高供电电压；而在不传输数据时，采用降频、降压甚至关闭接口电路电源的方式，可以有效地省电。当手持机一段时间未接收到按键触发的时候，自动关闭显示屏，而在接收到按键触发后，打开显示，从而尽量节省供电消耗，延长待机时间。

4.3 软件代码优化

对于基于处理器系统的应用系统而言，低能耗软件优化是非常好的降低系统能耗的技术方法。一般选用最有效的、最常被调用的、计算复杂度较高的应用程序来进行优化，可能的情况下可采用固件来进行加速。软件代码优化最终的目的是在执行较为复杂的应用程序时，尽量降低能耗。

综上所述，要想使军用手持机拥有足够的续航能力，必须尽可能设计出低功耗的硬件平台，最重要的是选择最恰当的CPU和彩色显示屏，并尽可能细致地设计供电电路；其次是要采用动态电源管理技术，让手持设备获得最优化的电源／性能平衡；最后一定要尽可能优化软件设计，最大限度降低功耗，从而获得最大的续航能力。

[1]IntelPXA27x Processor Fam ily Design Guide[S]．2004．

[2]IntelPXA27x Processor Fam ily Developer’sManual[S]．2004．

The Design o f Enhancing the Endurance Strength of the Personal D igital Assistant for M ilitary

LIU Cai-xia
(PLA 92723 Unit Army，Beijing 100841,China)

The endurance strength of the power supply isone of the key targets for the design of the Personal Digital Assistant(PDA) form ilitary.Itdirectly concernswhethera PDA isavailable.In the instance ofour finite electric capacity ofbatteries,the key ofenhancing endurance strength ofa PDA form ilitary isto design of low-power PDA hardware platform which focusCPU selection,LCD selection, power chipset choice and the design ofsupply circuits,to use the technique of the dynam ic powermanagement,and to optim ize software to the bestofourability,and so on.

personaldigitalassistant form ilitary;low energy consumption;dynam ic powermanagement;adaptive brightnesscontrol

TN 929

A

1008-1739(2014)13-66-3

定稿日期：2014-05-26