嵌入式系統(tǒng)電源通斷電控制典型電路設(shè)計與研究

摘要：在嵌入式系統(tǒng)上電過程中，對設(shè)備電源具有較高要求。采用主控單片機(jī)設(shè)計能夠?qū)﹄娫催M(jìn)行通斷電控制的電路。繼電器電源管理電路與設(shè)備電流短路保護(hù)電路能夠很好地保障設(shè)備安全，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性與通用性。電源管理模塊軟件設(shè)計則進(jìn)一步采取電池等信息，為電路設(shè)計賦能。

關(guān)鍵詞：嵌入式? 通斷電控制? 典型電路? 電路設(shè)計

一、引言

隨著基建設(shè)施越來越多，嵌入式系統(tǒng)對于供電持續(xù)性要求隨之升高。通常情況下，供電主力為常用電源，也就是主電源，在面對突發(fā)情況時，該系統(tǒng)則會自動切換備用電源供電?，F(xiàn)階段，絕大多數(shù)嵌入式控制系統(tǒng)均采取的是DSP處理器（Digital Signal Processing）、ARM處理器（Acorn RISC Machine）、甚至于FPGA（Field Programmable Gate Array）等微處理器作為控制核心。通過這些微處理器，嵌入式系統(tǒng)能夠進(jìn)一步穩(wěn)定供電電路。傳統(tǒng)電路在切換電源時，一部分能夠在主備電源電壓不相等的情況下實現(xiàn)切換，還有一部分則會在切換過程中產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗。因此，設(shè)計一款高效、穩(wěn)定、自動斷電、反應(yīng)靈敏、功耗低的電路尤為重要?？梢哉f，設(shè)計出一種能實現(xiàn)主備電源自動切換、通斷電自動控制、性能優(yōu)、功耗低且適用于嵌入式系統(tǒng)的電路，具有重要意義。

二、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境闡述

（一）嵌入式系統(tǒng)介紹

嵌入式系統(tǒng)是基于現(xiàn)代計算技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)，可以靈活地適應(yīng)用戶的需求（功能、可靠性、成本、體積、能耗、環(huán)境等）。該系統(tǒng)由硬件與軟件兩部分組成，可以進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)作。其中，軟件內(nèi)容涵蓋軟件運(yùn)行環(huán)境、操作系統(tǒng)兩個部分；硬件內(nèi)容則包含信號處理器、存儲器、通信模塊等多方面內(nèi)容。同時，嵌入式系統(tǒng)包括以下幾方面的特點：第一，具有功耗低、體積小、集成度高、成本低的特點；第二，具有運(yùn)行環(huán)境差異大的特點；第三，需要專用開發(fā)工具和方法進(jìn)行設(shè)計；第四，包含專用調(diào)試電路。

近年來，隨著電子電路集成工藝快速發(fā)展，計算機(jī)系統(tǒng)體積一再被壓縮，但性能卻在不斷提升，使得系統(tǒng)向更加便攜化方向發(fā)展。而便攜式計算機(jī)的出現(xiàn)，使電池續(xù)航成了一個新的難題。眾所周知，計算機(jī)的高性能往往伴隨著高功耗，而電池技術(shù)發(fā)展無法匹配電子設(shè)備的迭代升級。由此，滯后的技術(shù)與日漸突出的環(huán)保意識，又進(jìn)一步凸顯了系統(tǒng)性能與功耗之間的矛盾。電源管理技術(shù)的出現(xiàn)則有效緩解了二者的對立性矛盾，其通過合理的電源分配有效降低系統(tǒng)的整體功耗，將電池壽命延長至2-3倍。這一技術(shù)的出現(xiàn)對依賴電池電源的移動設(shè)備來說極為重要。目前，電源管理技術(shù)已被廣泛用于工業(yè)、能源、信息等多個領(lǐng)域，然而在嵌入式領(lǐng)域還較為罕見。這是由于通常情況下，在特殊應(yīng)用場合開發(fā)嵌入式系統(tǒng)，而電源管理技術(shù)發(fā)展相對較慢，無法與之相匹配?；诖耍疚膶RM作為控制中心，基于電源管理技術(shù)設(shè)計嵌入式電源通斷電控制電路。

（二）軟件開發(fā)環(huán)境

軟件開發(fā)環(huán)境（SDE）又被稱為集成式項目支援環(huán)境（IPSE），指的是基于基本硬件與宿主軟件，為系統(tǒng)軟件以及應(yīng)用軟件提供工程化開發(fā)與維護(hù)的一組軟件。而為本研究提供開發(fā)與維護(hù)的軟件由C語言編寫而成。由于C語言的編程結(jié)構(gòu)簡單，因此采用了可應(yīng)用于集成編程系統(tǒng)的靈活軟件，以C語言實現(xiàn)電源管理系統(tǒng)軟件開發(fā)。RealView MDK開發(fā)工具是軟件編程的重要組成部分，其可以自動配置多種微控制器的詳細(xì)啟動代碼，且自帶調(diào)試器與仿真器功能，能夠很好地支持本文所采用的處理器。

三、嵌入式系統(tǒng)電源通斷電控制典型電路設(shè)計

ARM嵌入式系統(tǒng)在正常運(yùn)行的情況下，會通過I/O管腳monitor連續(xù)輸出秒脈沖，而外部單片機(jī)則有一個管腳與之相聯(lián)。若想判斷核心板是否正常運(yùn)行，可通過監(jiān)視秒脈沖的穩(wěn)定程度來實現(xiàn)。若連續(xù)一段時間內(nèi)均未收到秒脈沖信號，單片機(jī)的mainPoweretl端口則會輸出低電平，以此強(qiáng)行切斷核心板電源，實現(xiàn)電源通斷電控制，原理如圖1所示：

（一）電源管理模塊硬件電路設(shè)計

1.繼電器電源管理電路設(shè)計

主控單片機(jī)I/O端口能夠控制繼電器電源通斷，進(jìn)而實現(xiàn)設(shè)備電源合理配置。具體來說，繼電器電路包括三個主要組成部分，分別為繼電器驅(qū)動電路、光耦隔離電路、繼電器保護(hù)電路。其中，繼電器驅(qū)動電路常用型號為TD62003AP，其能夠一定程度上實現(xiàn)電源通斷電控制。換言之，當(dāng)2003輸入端為高電平時，輸出口會相應(yīng)地輸出低電平；而輸入端為低電平時，繼電器線圈斷電，繼電器觸點斷開，實現(xiàn)自主通斷電，電路原理如圖2所示。光耦隔離電路構(gòu)成為PC817A，其主要作用在于抗干擾，幫助電路平穩(wěn)運(yùn)行。設(shè)計光耦隔離能夠很好地實現(xiàn)控制電壓與驅(qū)動電壓分析，實現(xiàn)信號單向傳輸。也就是說，單片機(jī)的I/O端口接引腳驅(qū)動電流不足以推動繼電器繼續(xù)工作時，由NPN構(gòu)成的三極管會代替單片機(jī)繼續(xù)驅(qū)動繼電器工作（如圖3）。繼電器保護(hù)電路主要包括繼電器線圈與反向二極管兩部分。其中，二極管的應(yīng)用目的在于保護(hù)繼電器線圈，這是因為當(dāng)感應(yīng)線圈的電流突然中斷并斷開試圖阻斷電流的開關(guān)時，繼電器線圈會產(chǎn)生電動勢。此時，二極管的存在就是為這一電動勢提供釋放通道，以實現(xiàn)保護(hù)繼電器，延長電池使用壽命的目的，原理圖見圖4。

該模塊設(shè)計所選用的固態(tài)繼電器具有壽命長、靈敏度高、控制功率小、轉(zhuǎn)換速度快等特點，且符合220V的設(shè)計要求。通過固態(tài)繼電器、可控硅等電子開關(guān)替代機(jī)械開關(guān)，可有效消除負(fù)載過重所產(chǎn)生的電火花，進(jìn)而消除大部分電流干擾，提高繼電器抗干擾能力。

2.設(shè)備電流短路保護(hù)電路設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于計算機(jī)中常常會出現(xiàn)過流、短路等現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象會對系統(tǒng)電路以及設(shè)備產(chǎn)生一些不可逆的傷害。為避免此類傷害，本文將設(shè)計電流過流、短路等保護(hù)電路。具言之，電流互感器原理能夠有效消除過流與短路現(xiàn)象，進(jìn)一步保護(hù)系統(tǒng)。穿心式電流互感器本身結(jié)構(gòu)并不設(shè)定一次繞組，而是由載流導(dǎo)線從L1至L2穿過由硅鋼片搟卷制成的鐵心起一次繞組作用。此時，二次繞組會均勻地纏繞在物體鐵心上，與儀表、繼電器、變送器等電流線圈二次負(fù)荷串聯(lián)，進(jìn)而形成閉合回路。一次繞組穿過電流互感器鐵心中的匝數(shù)可以確定互感器變比，匝數(shù)越多，變比越小，反之亦然。

穿心式電流互感器可以組成電流保護(hù)電路，因此其又被稱為保護(hù)用電流互感器。穿心式電流互感器可以與繼電裝置相互配合，在線路發(fā)生過流、短路等問題時，其能夠繼續(xù)向電源管理電路中的繼電器提供信號，繼而切斷故障電路，以保障供電系統(tǒng)安全。當(dāng)設(shè)備電源線圈的電流穿過穿心式電流互感器時，所產(chǎn)生的交變磁通感應(yīng)會產(chǎn)生相應(yīng)比例的二次電流。在經(jīng)過橋式整流電路之后，該段電流會進(jìn)入較強(qiáng)的電壓比較器同相輸入端，此時，反相輸入端的參考電壓比較輸出則可作為數(shù)字信號。這種數(shù)字信號可以代替繼電器控制電路走向。當(dāng)電流處于正常狀態(tài)時，繼電器模塊保持正常工作；當(dāng)電流異常流動時，繼電器則會迅速斷開，數(shù)字信號接替繼電器繼續(xù)工作，以此最大限度地保護(hù)設(shè)備。

（二）電源管理模塊軟件設(shè)計

每個模塊的接口功能是設(shè)計主系統(tǒng)軟件驅(qū)動程序的關(guān)鍵。通過調(diào)用主驅(qū)動程序來編寫頂級操作系統(tǒng)C/OS-II的軟件。根據(jù)能源管理系統(tǒng)的技術(shù)要求，需要開發(fā)用于數(shù)據(jù)收集、SOC評估、通信、校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)存儲的驅(qū)動程序。本文主要對數(shù)據(jù)采集與通信模塊進(jìn)行介紹。單片機(jī)的I/O口輸出低電平。低電平驅(qū)動的優(yōu)點在于，在系統(tǒng)通電并復(fù)位這一階段，負(fù)載繼電器將暫停工作，這種設(shè)置能夠保障極大的安全性。光耦電路接通后，低電平將會加到三極管的底座上，三極管打開，線圈通電。繼電器常開-常閉-常開。此外，每一個I/O端口均需要相應(yīng)的指紋信息匹配，以此匹配軟件權(quán)限。

1.數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括蓄電池電壓、電流和溫度的采集。具言之，電池監(jiān)視器LTC6802用于測量電壓。監(jiān)視器芯片采用的是SPI通信，能夠通過SPI串行接口鏈接S3C2440A。首先初始化S3C2440A和LTC6802，然后配置芯片的CPU輸出并發(fā)送配置命令。同時，將值寫入LTC6802注冊表，發(fā)送讀取設(shè)置命令并在注冊表中讀取。將讀取值與寫入值相比較，若二者相同，則配置正確，即執(zhí)行電壓讀數(shù)。其次，鑒于芯片通過SPI總線進(jìn)行通信，因此需要配置SPI總線并初始化其接口。初始化后，處理器可以發(fā)出命令啟動AD轉(zhuǎn)換，然后開始讀取電池電壓并保持電壓。應(yīng)注意，存儲在存儲器中的電壓值可用于其他模塊。處理器還可以通過分析值來確定正常電壓，以選擇是否打開平衡電路。選擇回路時，程序通過設(shè)置標(biāo)記來顯示結(jié)果。電壓采集的這些步驟具有相應(yīng)的功能。

2.通信設(shè)計

電源管理系統(tǒng)主要采用串行通信和CAN通信。LCD和霍爾電流傳感器采用串行通信。CAN總線完成采集板和主控制板之間的通信，以及無線電電池充電器之間的內(nèi)部通信。整個電源管理系統(tǒng)在連接到CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)中工作。通信協(xié)議0B標(biāo)準(zhǔn)參鑒CAN2.0，其將OSI可以建模的通信層和物理通信層進(jìn)行定義。29位擴(kuò)展幀標(biāo)識符用于控制網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)連接，并將其調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)。物理層符合并補(bǔ)充了SAEJ1939協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。通信采用29位標(biāo)識符進(jìn)行幀擴(kuò)展，通信速度為250kb/s，并發(fā)送單幀消息，接收定期傳輸和傳輸機(jī)制的中斷。隨后需要配置CAN通信寄存器。Filtercode用于設(shè)置過濾器的工作模式，選擇ID保護(hù)模式，過濾器將使用CAN濾波器比例配置為32位長度。禁止注冊過濾器掩碼標(biāo)識符。收到所有返回的消息ID。每個消息ID在主功能中進(jìn)行判斷，最終統(tǒng)一處理。

四、嵌入式系統(tǒng)電源通斷電控制典型電路測試

（一）測試環(huán)境

一方面，當(dāng)電源管理繼電器模塊檢測到授權(quán)身份驗證信息時，相關(guān)繼電器會立刻通電，設(shè)備電源將打開，特定指紋信息顯示在LCD1602上。另一方面，上位機(jī)軟件、測試管理應(yīng)用程序管理界面登錄和設(shè)備使用情況顯示可以測試設(shè)備的遠(yuǎn)程打開和關(guān)閉。

（二）測試結(jié)果與性能

電源管理繼電器模塊的功能測試包括相應(yīng)繼電器通電，指紋信息識別后綠色指示燈閃爍。LCD1602顯示相關(guān)指紋信息的ID。若檢測到錯誤的指紋信息，將顯示錯誤提示，系統(tǒng)將發(fā)出警報，紅色LED將閃爍3秒鐘。

五、結(jié)束語

本文設(shè)計了嵌入式系統(tǒng)電源通斷電控制電路，不僅有效提高設(shè)備的使用壽命，還提高了電源管理效率。該電路適用于ARM、DSP等多個微處理器，同時還適用于嵌入式控制系統(tǒng)。并且，繼電器電源管理電路、設(shè)備電流短路保護(hù)電路能夠很好地保障設(shè)備安全，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性與通用性，具備較好發(fā)展前景。

作者單位：陳章余? ? 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京工程學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]曹佳平.基于霍爾傳感器的電源控制系統(tǒng)設(shè)計[J].信息技術(shù)與信息化，2021（12）：79-81.

[2]王光祥.基于單片機(jī)的智能斷電報警控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2020 （12）：9-12.

[3]張文波.嵌入式系統(tǒng)上電過程的多路電壓順序轉(zhuǎn)換電路設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018（03）：40-42.

[4]畢建忠，柯賢文.嵌入式系統(tǒng)中電源管理電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J].通信電源技術(shù)，2014（01）：23-25+30.

[5]湯仕暉，王麗娜，錢雨鑫，等.基于STM32智能通斷電控制裝置的設(shè)計[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2019（S1）：98-105.

[6]齊齊樂.嵌入式單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].中國設(shè)備工程，2021（23）：19-20.