手持式终端设备中电源监测技术研究与实现

0 引言

随着数字信息技术和网络技术的高速发展，各种嵌人式系统已成为了市场的新焦点。鉴于嵌入式系统是对功能、可靠性、成本、体积和功耗等有严格要求的专用计算机系统，因此降低其系统功耗、提高内置电源持续工作的能力就成为一项重要的研究内容。

与笔记本电脑类似，嵌入式系统通常配备一个由多只电池串联组成的整体式电池包 .当经过反复充电使用而其主要参数不再满足整个系统要求时，必须更换整个电池包。一般说来，由于电池包内部各个电池之间的电气参数略有差异，很难使得每个单体都得到平衡、充分的放电，进而导致在电池组充电的过程中，电压过高的电池芯可能提早触发电池组过充电保护，而在放电过程中电压过低的电池芯又可能首先导致电池组的过放电保护，从而使电池组的整体容量明显下降，使得整个电池组的实际容量常为电池组中性能最差的电池所限。

针对上述问题，目前常用两种解决方法：

①研究或选用新型电池，尽量减小个体差异并从整体上提高电池的额定容量，例如由最初的镍镉、镍氢电池发展到现在主流的锂电池;②提高电池芯的利用率，即利用监测技术探察每个电池芯的工作状况。若有部分电池芯过早地放电结束或者出现问题时，能够自动检测并予以提示，此时只需进行个别更换即可同样保证系统正常工作。

对于普通用户而言，难以直接涉足前者所属的相关领域，而后者所述方式能够较为方便、容易地得到实现。由此一来，可望较好地解决前述问题，同时避免了电池组整体更换时其中的正常电池也连带报废的现象，进而提高电池利用率。此外，尚可解决专用电池成本较高、购买不易的问题，以便有效降低系统的维护成本。

1 监测系统工作原理与电路设计

结合一个具体的手持/嵌入式超级终端系统，文中对其内置电源的监测模式进行了较为详尽的研究。

因其使用通用的五号可充电电池，所以可按第二方法考虑解决电池的使用和更换问题，进而基于LinuX操作系统较好地实现了相应的电池管理与更换提示功能。

1.1 监测系统工作原理

本系统采用12节额定电压为1.2V的镍氢电池串联供电，并通过专门设定的12个监测点逐一监测。

监测点上的模拟电压值通过多路开关和辅助电路输入ARM芯片S3C2410x自带的AD转换器，再经Linux(驱动程序和GPIO端读取相应监测点的电压值，传递给数据处理和图形显示等应用程序，从而实现了电源的监测。具体方法如图1所示。

图1 电源监测系统电路图

1.2 AD转换与辅助电路

监测系统利用S3C2410x自带的AD转换器将模拟电压输入转换为应用程序所需要的数据。芯片自带AD转换器为8路模拟输入、10bit数字输出，最大转换率为500ksps,转换时钟为2.5MHz,模拟输入范围为0-3.3V.本系统所需要监测的电压范围为0~14。

4V,针对这种情况，本系统设汁了分压电路，在应用程序中只需要利用比例公式就能计算出各个监测点的实际电压值。并且，考虑到监测精确度和电路功耗的因素，把分压电路的总电阻定为4.5kQ.这样一来，对应的模拟输人电压值范围为0.26-3.2V,以便充分利用的AD转换器的输入带宽。此时电路的耗损功率仅为0.04608W。

1.3 控制电路

利用S3C2410x的GPIO端口控制选通多路门开关电路，监测系统可以随机地提取不同监测点的电压值。选通逻辑通过译码实现，如表1所示。

表1 选通逻辑

2 电源监测系统驱动程序设计

鉴于文中所述的超级终端系在Linux环境下运行，各个检测环节的驱动程序和相关的实施策略、编写方法亦多有特点，现详细描述如下。

2.1 Linux驱动程序工作原理

在Linux内核中，设备驱动程序是作为文件系统的一个模块存在的，它对下负责与硬件设备的交互，对上通过一个通用的接口挂接到文件系统上，从而和系统的内核等联系起来。它是软件概念和硬件设备间的一个抽象层。系统调用是内核和应用程序之间的接口，而设备驱动程序则是内核和外设之间的接口。

设备驱动程序为应用程序屏蔽了外设硬件的细节，从应用程序角度来看，对于外设的操作方法与普通文件一样。设备驱动程序与系统外设关系如图2所示。

图2 Linux驱动程序与系统外设关系图

2.2 字符设备

字符设备是Linux系统中最简单的设备，可以像文件一样访问。当字符设备初始化的时候，其驱动程序向Linux核心登记，在chrdevs向量表中增加一个device_STruct数据结构条目。这个设备的主设备标识符用作这个向量表的索引。一个设备的主设备标识符是固定的。chrdevs向量表中的device_struct数据结构包括一个登记设备驱动程序名称的指针和一个指向一组文件操作的指针。这组文件操作本身位于这个设备的字符设备驱动程序中，并处理一些特定任务。本电池监