基于DM6446嵌入式虹膜识别系统的电源设计与实现

罗茂元，胡春林

（1.电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610054；2. 电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 611731）

基于DM6446嵌入式虹膜识别系统的电源设计与实现

罗茂元1，胡春林2

（1.电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610054；2. 电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 611731）

为了实现嵌入式虹膜识别系统的稳定工作，提出了一种基于软件关机电路的电源系统设计方案，并完成系统的硬件设计。该系统的硬件设计主要分为全局电源，内核电源和I/O模块电源3大部分，能够满足虹膜识别系统的所有器件功耗需求。实际应用表明，该电源具有软件可操作性，能够使TMS320DM6446内核达到长期且稳定工作的特点，满足了设计需求。

嵌入式虹膜识别系统；DM6446；软件关机电路；内核电源

随着社会和科技的发展，身份认证的重要性日益显现。传统的身份识别方式由于其固有的局限性已远远不能满足要求，于是迫切希望有一种安全可靠、易于使用的鉴别身份方式。虹膜识别以其非接触的采集方式，最精确的识别方法，居于生物特征识别系统的首位。目前，虹膜识别系统实现平台可分为基于PC机的虹膜识别系统和基于嵌入式的虹膜识别系统两大类。前者主要用于国防等国家大型管理系统等领域；而后者适用于小范围认证，信息处理量不大，系统结构较为简单的高安全级别门禁系统等领域[1]。

本课题研究开发了基于DM6446的嵌入式虹膜系统，主要研究工作分为3部分：虹膜嵌入式硬件系统的实现、Linux操作系统下驱动编写和虹膜算法在DSP上的移植与优化[2]。本文重点阐述在该嵌入式硬件系统实现过程中的电源设计。根据业界硬件工程师的设计电路经验，电源设计是电路设计的核心，只有电源在长期稳定地工作条件下，嵌入式系统的各个模块才可能完成其相应的工作。因此，电源的设计与实现在该嵌入式系统中占有至关重要的作用。

1 全局电源设计

在本系统中，通过考察各模块电路和芯片参数等多方面因素，确定了整个系统的全局电源为5V输出；由于DM6446中的ARM内核和DSP内核等均为高功耗模块，所以在全局电源设计中，应考虑系统的最大功耗，使其能维护整个模块系统能正常稳定工作，并杜绝过度发热现象。

综上所述，定义全局电源输出电压：VO=5 V，负荷电流：IO-TYP=12 A，输入电压Vin-TYP=12 V，软启动时间tss=5 ms。选用LM3150降压电源芯片，其输入电压范围可达到6～24 V，输出电流最高达12 A，达到设计要求。

1.1 设计输出电压

全局稳压电源电路图如图1所示，根据输出电压计算公式[3]：

式（1）中，VFB=0.6 V，当取两个反馈电路值分别为RFB1=10 kΩ，RFB2=73.2 kΩ时，带入以上公式得：

图1 全局稳压电源电路图Fig. 1 Circuit diagram of the Global stabilized voltage supply

1.2 使能端软件关机电路

该电路使用隔离的小电压控制LM3150电源的使能引脚(EN)，保证了单片机控制电路引脚不受倒灌的高电压侵害。

图2 软件关机电路图Fig. 2 Software shutdown Circuit diagram

在软件关机电路中，将单片机的引脚连接到Power_set端，当Power_set端为高电平时，Q2导通，使Q1基极为低；当Power_set端为低电平时，Q2断开，使Q1基极为高电平。以实现用单片机控制整个电路电源的通断，并解决了LM3150反馈电流倒灌使单片机烧毁的问题。

2 内核电源设计

根据DM6446内核功耗表[4]，如表1所示，在频率达到594 MHz的情况下，内核电压为1.2 V，功耗为1.05 W，内核所需电流为：

表1 遗传算法降低OFDM系统PAPR仿真实验的主要参数Tab.1 The main parameters of Genetic algorithm to reduce PAPR of OFDM system simulation experiment

本系统设计时，采用了810 MHz的DM6446，其内核功耗会高于1.05 W，所需内核电流也高于0.875 A，其内核电压为1.3 V；并且在系统板中的FPGA（EP3C55F780）所需内核电压为1.2 V[5]，综上两种因素的考虑，因此，其一，内核电源需提供1.2 V和1.3 V两种不同电压；其二，为使810 MHz的DSP内核能稳定工作，需为其提供功耗余量，提供的最大电流控制在3 A左右。

设计时采用TPS54386电源芯片[6]，它不仅能提供最大为3 A的大电流，而且还是双电压输出模式。内核电源的典型电路图如图3所示。

设计反馈电阻R1和R2以保证输出电压为理想输出电压。如图4所示TPS54386反馈电路。

其中VREF=0.8 V，两个通道的调节反馈电路相同。

第一通道输出电压1.2 V，计算得到电阻为R1=20 kΩ，R2=39.2 kΩ。即为：

第二通道输出电压1.3 V，计算得到电阻为R1=20 kΩ，R2=31.6 kΩ。即为：

3 I/O模块电源设计

对于DSP外围I/O口模块电压分别为1.8 V和3.3 V，同样采用TPS54386电源芯片，依据以上的设计方法[6]：

VO3=1.8 V时，计算得到电阻为R1=20 kΩ，R2=15.8 kΩ

图3 内核电源电路图Fig. 3 Kernel power circuit diagram

图4 TPS54386反馈电路Fig. 4 Feedback circuit of TPS54386

VO4=3.3 V时，计算得到电阻为R1=20 kΩ，R2=6.34 kΩ

在设计过程中，如图5，图6所示，考虑到DSP内核的上电时间应比I/O模块的上电时间提前或同时发生，而两模块供电又是分开的，因此需设计硬件延迟电路[4]。

图5 启动延迟示意图Fig. 5 Startup Delay Schematic

图6 RC使能延时启动Fig. 6 Startup delay with R-C on enable

（其中，VTH=1.2 V、IENX=6 μA 、R=51 kΩ），这里取C=12 pF时，延迟时间为tDELAY=100 ns。

3.1 CVDD和CVDDSP的隔离

ARM内核和DSP[7]内核上电顺序如图7所示，DSP内核

图7 ARM内核和DSP内核上电顺序图Fig. 7 Sequence diagram of ARM kernel and DSP kernel

的上电时间晚于ARM内核的上电时间，ARM上电后，使整个系统开始正常运转，而进行数据处理的DSP内核应在ARM上电一段时间后上电或不上电。所以对其提供1.3 V电压时，两内核之间需使用功率电感延迟电流，起到隔离的作用。设计时，将CVDD直接连接1.3 V电源，而CVDDSP经过一个功率电感后，再连接1.3 V电源。

3.2 PLL电源设计

开关电源干扰主要来源于工频电流的整流波形和开关操作波形，这些波形的电流泄露到输入部位就成为传导噪声和辐射噪声，泄露到输出部位就形成了纹波问题。PLL外部电路如图8所示，考虑到电磁兼容性的有关要求，在外部设计时加入EMI滤波网络，隔离外部电源纹波引入，抑制开关电源上的干扰。

3.3 DAC内核电压和模拟I/O电压的设计

图8 PLL外部电路Fig. 8 External circuit diagram of PLL

由于DSP内核电压（Vcore=1.3 V）不能直接供给DAC内核（VDDA1P1V=1.2 V ），为增强DAC内核电源稳定性，如图9所示，采用功率电感L21，L22进行纹波滤波处理。而DAC的参考电压0.5 V无需吸入大电流，因此直接选用稳压二极管就能实现。模拟I/O电压VDDA1P8V=1.8 V ，设计方法与上相同。

3.4 DDR2电源设计

DDR2[8]外部电路图如图10所示，DVDDR2通过EMI滤波网络将1.8 V电压接入到DDR_VDDDLL引脚，实现对DDR2供电的目的；由于DDR2接口端输入阻抗大，所以DDR_VREF参考电压通过两个阻值为1 kΩ的电阻分压为0.9 V。

图9 DAC内核与I/O电源电路图Fig. 9 Power supply circuit diagram of the DAC core and I/O

图10 DDR2外部电路图Fig. 10 External circuit diagram of DDR2

4 结 论

嵌入式虹膜识别系统的电源网络采用软件关机电路进行控制，满足了810 MHz的DSP等各类高功耗内核的需求，并解决了内核上电时序先后顺序及其延时问题，提高了系统的稳定性和可靠性。该嵌入式虹膜识别系统现已量化投产，并成功投入社会使用。根据其实际应用表明，该电源系统具有可控性好、电压稳定、宽输入电压，并满足嵌入式系统所有器件功耗需求等的特点，达到了设计要求。

[1]朱瑞慧.基于局部特征分析的虹膜识别[D]. 天津：中国民航大学,2006

[2]杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京：清华大学出版社,2003

[3]Texas Instruments.LM3150 Simple Switcher Controller,42V Synchronous Step-Down [EB/OL].[2008-9]. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm3150.pdf.

[4]Texas Instruments.TMS320DM6446 Digital Media System on-Chip[EB/OL].(2005).http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320dm6446.pdf.

[5]ALTERA.Cyclone III Design Guidelines[EB/OL].(2012).http://www.altera.com.cn/literature/an/an466.pdf.

[6]Texas Instruments. 3-A dual Non-Synchronous converter with integrated high-side MOSFET. (Rev. B) [EB/OL].(2007).http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps54386.pdf.

[7]Texas Instruments.TMS320DM644x DMSoC Video Processing Front End (VPFE) User's Guide (Rev. H).[EB/OL].[2010]. http://www.ti.com/lit/ug/sprue38h/sprue38h.pdf.

[8]周虎年.基于DSP的嵌入式虹膜识别系统硬件设计及实现[D].成都：电子科技大学,2011.

Design and implementation of power supply based on DM6446 embedded iris recognition system

LUO Mao-yuan1,HU Chun-lin2
（1.School of Physics And Electronic, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu610054,China;2.School of Electrical Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu611731,China）

In order to make sure that the embedded iris recognition system work stable , the power system based on Software shutdown circuit is designed in this paper, and it has been implemented in hardware. The hardware system was comprised of three parts , global power network, the kernel power network and I/O power network, which can supply enough power for all the equipments. The experiment and application show that this power supply system can be controlled by the software, and have a good performance that the TMS320DM6446 kernel can work stable with it, so this system has meet the design requirement.

embedded iris recognition system; DM6446; Software shutdown circuit; kernel power

TN02

A

1674-6236(2014)07-0150-04

2013-08-22稿件编号201308149

国家自然科学基金(60472046)

罗茂元(1981—)，男，四川成都人，硕士研究生，讲师。研究方向：嵌入式技术，电子与通信工程。