提高軍用手持機(jī)續(xù)航能力設(shè)計(jì)

劉彩霞

（解放軍92723部隊(duì)北京 100841）

提高軍用手持機(jī)續(xù)航能力設(shè)計(jì)

劉彩霞

（解放軍92723部隊(duì)北京 100841）

電源續(xù)航能力是軍用手持機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它直接關(guān)系到一款手持機(jī)是否可用。在電池容量一定的情況下，提高軍用手持機(jī)續(xù)航能力的關(guān)鍵是：設(shè)計(jì)低功耗硬件平臺(tái),重點(diǎn)考慮CPU選型、彩色屏幕選擇、電源芯片選擇和供電電路設(shè)計(jì)；采用動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)；最大限度優(yōu)化軟件等。

軍用手持機(jī)低功耗動(dòng)態(tài)電源管理背光省電技術(shù)

1 引言

電源續(xù)航能力對(duì)軍用手持機(jī)，如單兵系統(tǒng)、無線電通訊、手持終端等設(shè)備而言是非常重要的指標(biāo)，一款手持機(jī)是否可用，高續(xù)航能力是手持機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。一般而言，手持機(jī)都采用鋰電池供電。目前鋰電池電芯制造技術(shù)水平使電芯單位體積的電池容量己經(jīng)接近鋰電池的極限。如果要提高電池容量就只有把鋰電池的體積擴(kuò)大以增加電量。而手持機(jī)用戶對(duì)體積輕巧的要求，無法接受更大體積的電池。因此在電池容量一定的情況下，要提高手持機(jī)的續(xù)航能力，低功耗硬件平臺(tái)、動(dòng)態(tài)電源管理以及盡可能優(yōu)化軟件是手持機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 低功耗硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

要提高手持機(jī)的續(xù)航能力，在滿足手持機(jī)實(shí)用功能的情況下，低功耗硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)是首要問題。而在低功耗硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中以下幾個(gè)問題是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.1 CPU選型

在滿足技術(shù)性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡量采用低功耗的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，這樣既可以滿足其實(shí)用性也可以最大限度降低手持機(jī)的功耗。第二，在設(shè)計(jì)中應(yīng)選用低功耗并具有多種工作模式的CPU，這樣可以針對(duì)不同的任務(wù)處理需要，選用不同的工作模式，實(shí)現(xiàn)最大限度地控制功耗。第三，CPU的功率消耗分為兩大部分：內(nèi)核消耗功率和外部接口控制器消耗功率，總的功率等于兩者之和。對(duì)于內(nèi)核消耗功率，關(guān)鍵在于其供電電壓

和時(shí)鐘頻率；而外部接口控制器消耗功率，除了各個(gè)專門I/O控制器的功耗外，地址和數(shù)據(jù)總線寬度對(duì)功率消耗影響很大。由此可見，當(dāng)CPU確定后，可以通過降低頻率和電壓來減少系統(tǒng)的功耗。現(xiàn)在CPU的主頻越來越高，由于軍用手持機(jī)通常功能比較單一，有時(shí)不需要太高的主頻，拿過高頻率的處理器運(yùn)行簡(jiǎn)單的程序，會(huì)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，因此選用能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整主頻的CPU有助于降低手持機(jī)功耗。在CPU的選擇方面，我們推薦采用Intel的XScale芯片。比如，Intel XScale PXA27x是一款專門為手持設(shè)備設(shè)計(jì)的SOC芯片，其處理器主頻可運(yùn)行于312／416／520／624MHZ等4種不同頻率，并且內(nèi)置64MB的堆棧型內(nèi)存。PXA27x加入了Intel獨(dú)有的SpeedStep動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，能根據(jù)系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)CPU的性能，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降低移動(dòng)設(shè)備功耗[1]，成為高端移動(dòng)設(shè)備中最受歡迎的處理器之一。

2.2 彩色屏幕選擇

手持機(jī)的彩色屏幕耗電大約占手持機(jī)整機(jī)耗電量的50%，因此選擇合適的彩色屏幕對(duì)于手持機(jī)續(xù)航能力的提高具有非常重要的意義。手持機(jī)的彩色屏幕因?yàn)長(zhǎng)CD品質(zhì)和研發(fā)技術(shù)不同而有所差異，其種類大致有TFT、TFD、UFB、STN和OLED幾種。一般來說，顯示的顏色越多越能顯示復(fù)雜的圖像，畫面的層次也更豐富，但耗電也更大。因此彩色屏幕的選擇和低功耗設(shè)計(jì)是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。

對(duì)于大多數(shù)軍用手持機(jī)來說一般不需要顯示非常復(fù)雜的圖形和太多動(dòng)態(tài)的圖像，因此可選用低功耗的OLED顯示屏。OLED寬溫參數(shù)好，且與LCD屏相比，不需背光，電流在lOm A以內(nèi)，亮度可調(diào)，因此功耗很小。也可以選用半反半透型的TFT液晶屏，陽光下可視，在光線比較好的環(huán)境下，可以關(guān)閉背光逆變器，非常節(jié)省能耗。

2.3 電源芯片選擇

電源設(shè)計(jì)中電源芯片應(yīng)選用高效率器件，以提高電源效率。要正確選擇電源芯片，首先，要明確各個(gè)電路和器件所需要的輸入電壓和輸出電壓。其次，要注意芯片的靜態(tài)電流，好的電源芯片的靜態(tài)電流在μA級(jí)，較差的芯片在m A級(jí)，相差上千倍。靜態(tài)電流越小，電池的能耗就越少，壽命就越長(zhǎng)。再次，注意要從實(shí)際的負(fù)載來考察效率，電源效率與輸出電流是密切相關(guān)的，當(dāng)輸出電流很小或很大時(shí)，效率都會(huì)下降，因此要根據(jù)需要的電流來選擇電源芯片，以達(dá)到效率最大化。

2.4 供電電路設(shè)計(jì)

手持機(jī)一般會(huì)集成多個(gè)外部設(shè)備接口，比如Intel XScale PXA27x處理器支持USB接口、RS232串口以及多種多媒體接口。為降低電路功耗，應(yīng)該為L(zhǎng)CD、USB接口、RS232串口以及各個(gè)多媒體接口均設(shè)計(jì)獨(dú)立供電電路，并且供電電路采用GPIO控制，當(dāng)電路不工作時(shí)關(guān)閉電源，最大限度降低功耗。

3 動(dòng)態(tài)電源管理設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)與電源管理是手持機(jī)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到電池的使用時(shí)間和整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。系統(tǒng)不可能始終處于滿負(fù)荷狀態(tài)，因?yàn)橄到y(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)都在改變。電源管理通過動(dòng)態(tài)工作模式的調(diào)整實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體能耗的最優(yōu)化。動(dòng)態(tài)電源管理可讓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整處理器電壓和內(nèi)核頻率，在需要的時(shí)候充足供電，在不需要的時(shí)候節(jié)能省電，從而達(dá)到降低功耗的目的。因此在電源設(shè)計(jì)中應(yīng)采用具備休眠或等待狀態(tài)的低功耗元器件，便于CPU管理與控制。在設(shè)計(jì)中，電源管理必須實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功耗模式的切換。—般來說，系統(tǒng)功耗模式包括常規(guī)模式、空閑模式、休眠模式和睡眠模式。如圖1所示：

常規(guī)模式是指所有電源供應(yīng)被打開，所有功能始終被提供；

空閑模式允許用戶停止對(duì)CPU時(shí)鐘信號(hào)的供應(yīng)，此模式不改變時(shí)鐘信號(hào)的頻率，當(dāng)有中斷產(chǎn)生時(shí)，CPU會(huì)被立刻激活；

休眠模式是把應(yīng)用環(huán)境保存在閃存上，當(dāng)重新開機(jī)時(shí)，程序把應(yīng)用環(huán)境狀態(tài)從閃存里讀出，重新初始化后即可進(jìn)入休眠前的工作狀態(tài)；

睡眠模式下關(guān)閉處理器核的電源供應(yīng)，電源管理器開始監(jiān)視等待一個(gè)喚醒事件，當(dāng)接收到事件后，重新提供電源，并執(zhí)行復(fù)位操作。

圖1系統(tǒng)功耗模式轉(zhuǎn)換圖

Intel XScale PXA27x低功耗處理器采用的增強(qiáng)型動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)（Intel SpeedStep）更是將省電模式細(xì)分為6種，包

括:常規(guī)模式、空閑模式、深度空閑模式、待機(jī)模式、睡眠模式、深度睡眠模式，讓手持設(shè)備在不同情境下能達(dá)到最佳電力配置，最高能節(jié)省50%的能耗。IntelSpeedStep動(dòng)態(tài)節(jié)能技術(shù)主要通過縮短與更改電壓／頻率(稱為P-state)相關(guān)的等待時(shí)間，實(shí)際上更頻繁地進(jìn)行這些轉(zhuǎn)換，獲得更詳細(xì)的電源／性能平衡優(yōu)化，從而大幅降低平均功耗[2]。

4 軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 背光省電技術(shù)

手持機(jī)顯示系統(tǒng)因?yàn)楸彻獾年P(guān)系，耗電量是非常驚人的，某些類型的手持機(jī)的背光系統(tǒng)可達(dá)整機(jī)功耗的90%以上。目前較實(shí)際可行的背光省電技術(shù)有2種，即根據(jù)環(huán)境光調(diào)節(jié)背光技術(shù)和根據(jù)內(nèi)容調(diào)節(jié)背光技術(shù)。根據(jù)環(huán)境光調(diào)節(jié)背光技術(shù)根據(jù)環(huán)境光的改變來調(diào)整背光，處理器會(huì)去讀取光傳感器的數(shù)值，了解目前環(huán)境光的強(qiáng)弱，然后將數(shù)值告訴LCD驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)程序?qū)凑沾藬?shù)值動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償畫面并調(diào)整背光信號(hào)。根據(jù)內(nèi)容調(diào)節(jié)背光技術(shù)則根據(jù)目前顯示的畫面隨時(shí)作省電調(diào)整。當(dāng)處理器傳送—張圖片數(shù)據(jù)到LCD，分析器會(huì)統(tǒng)計(jì)分析欲顯示的畫面數(shù)據(jù)，然后根據(jù)每個(gè)影像的統(tǒng)計(jì)圖以及相關(guān)的設(shè)定重新計(jì)算補(bǔ)償之后得到的新畫面數(shù)據(jù)，并同步?jīng)Q定背光省電幅度，再依此數(shù)值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)背光信號(hào)來減少背光電流的消耗。

4.2 通過軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電源管理

所謂通過軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電源管理是根據(jù)設(shè)備實(shí)際工作狀態(tài)，給需要的電路供電，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)不工作的電路斷電，實(shí)時(shí)地調(diào)整供電控制，達(dá)到節(jié)省功耗的效果。例如，當(dāng)多媒體接口不做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)，采取靜音省電技術(shù)或采用GPIO供電控制開關(guān)，可以有效地減少額外語音處理帶來的不必要功耗。同理，當(dāng)需要USB接口或RS232串口傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，可以考慮提高主頻或提高供電電壓；而在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，采用降頻、降壓甚至關(guān)閉接口電路電源的方式，可以有效地省電。當(dāng)手持機(jī)一段時(shí)間未接收到按鍵觸發(fā)的時(shí)候，自動(dòng)關(guān)閉顯示屏，而在接收到按鍵觸發(fā)后，打開顯示，從而盡量節(jié)省供電消耗，延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。

4.3 軟件代碼優(yōu)化

對(duì)于基于處理器系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)而言，低能耗軟件優(yōu)化是非常好的降低系統(tǒng)能耗的技術(shù)方法。一般選用最有效的、最常被調(diào)用的、計(jì)算復(fù)雜度較高的應(yīng)用程序來進(jìn)行優(yōu)化，可能的情況下可采用固件來進(jìn)行加速。軟件代碼優(yōu)化最終的目的是在執(zhí)行較為復(fù)雜的應(yīng)用程序時(shí)，盡量降低能耗。

綜上所述，要想使軍用手持機(jī)擁有足夠的續(xù)航能力，必須盡可能設(shè)計(jì)出低功耗的硬件平臺(tái)，最重要的是選擇最恰當(dāng)?shù)腃PU和彩色顯示屏，并盡可能細(xì)致地設(shè)計(jì)供電電路；其次是要采用動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，讓手持設(shè)備獲得最優(yōu)化的電源／性能平衡；最后一定要盡可能優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，最大限度降低功耗，從而獲得最大的續(xù)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