基于ＡＲＭ ９的醫療手持信息終端電源設計

摘 要：介紹基于ARM 9內核2410和基于USB接口RT2573的54 M無線網卡的醫療手持信息終端。主要硬件模塊設計，包括S3C2410嵌入式系統主要模塊、LCD顯示模塊、電池充放電保護模塊。利用嵌入式系統通過USB無線網卡的擴展具備無線網絡接入功能，同時在電池放電狀態下無需外接電源維持3個小時穩定運行。

關鍵詞：嵌入式系統；S3C2410；醫療手持信息終端；模塊

中圖分類號：TP331.1+1 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)02-177-03

Terminal Power Design of Medical Hand-hold Information Based on ARM9

LEI Chaofang，ZHANG Dong

(School of Physics Science and Technology，Wuhan University，Wuhan，430072，China)

Abstract：This article introduces the design of hardware of a wireless hand-hold information terminal for medical service，which is based on ARM9 kernel 2410 and 54M wireless network card with USB interface RT2573，and includes central modules of S3C2410 embedded system，LCD display module and charging protect circuitry of lithium cell.Wireless function is realized by connecting with USB wireless network card，and it maintains 3 hours work without external power.

Keywords：embedded system;S3C2410;medical hand-hold information terminal;module

目前，嵌入式技術已廣泛應用于工業控制、消費類電子產品、通信系統等各類市場產品。并且隨著互聯網的日益發達，具有無線接入功能的嵌入式系統更加具有發展前景。介紹了ARM 9嵌入式系統模塊裁剪及擴展模塊硬件的設計，LCD驅動電路設計及驅動信號分析，多電池串聯動態充放電保護電路。重點詳述基于優龍YL2410開發版功能模塊的裁剪和部分模塊的重新設計。

1 醫療手持信息終端體系結構

系統核心芯片采用三星公司的S3C2410處理器，該處理器是三星公司的一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設備以及高性價比，低功耗的應用，運行的頻率可以達到203 MHz。

系統保留64 M NAND FLASH作為存儲器，存儲系統軟件部分必須的BOOTLOADER，LINUX KERNEL，FILESYSTEM。系統中的串口、USB DEVICE接口、JTAG接口主要在開發調試時使用。USB HOST接口用于擴展接口接USB無線網卡。保留統一的TOUCHLCD接口，兼容各種TFT和STN屏。同時對電源部分重新設計滿足電池部分和外接電源的電氣性能要求。

2 供電模塊體系設計

2.1 電源模塊設計

在嵌入式硬件系統中，各個硬件模塊需要的供電電壓各不相同，S3C2410和外設的電壓分別為1.8 V，3.3 V，5 V;由于USB接口的無線網卡耗電很大，對不同電壓進行轉換的同時功率也有嚴格的要求。外接電源適配器的電源有5 V和12 V兩種，而選擇的單個電池為3.6 V，因此，電源設計方案采用3個電池串聯構成3.6 V×3=11.8 V輸入和12 V的外接電源適配器，不低于1.8 mA電流輸入和超過3 mA系統自恢復斷路保險。

一般來講，CPU都提供各種各樣的接口控制[GK!2]器，如I2C，I2S，LCD，FLASH，Timer，UART，SPI，USB等等，但這些控制器在一個設計里一般不會全部都用到，所以對于這些不用的控制器往往任其處于各種狀態而不用花心思去管。但是，當你想盡可能節省功耗的情況下，則必須關注他們的狀態，因為如果不將其關閉，即使他們沒有處于工作狀態，其仍然會消耗電流。

從圖1可以看到，通過設置寄存器可以有選擇地關閉不需要的功能模塊，以達到節省電的目的，比如在實際應用中，ADC，I2C，I2S和SPI都沒有用到，通過CLKCON寄存器的設置，可以節省2 mA的電流。當然，也可以動態關閉一些仍然需要的外設控制器來進一步節省能量。如在空閑模式下，CPU 內核停止運行，還可以進一步關閉一些其他的外設控制器，如USB，SDI，FLASH等，只要保證喚醒CPU的I/O控制器正常工作即可，如通過 UART喚醒，則UART控制器不能被關閉。等到CPU被喚醒后，再將USB，SDI，FLASH等控制器再打開，達到節能要求。

2.1.2 電壓轉換電路設計

通常來講，有以下幾種電壓轉換方式選擇：

(1)線性穩壓（Linear Regulator）；

(2)DC to DC；

(3)LDO(Low Drop-Out)。

其中LDO本質上還是一種線性穩壓，主要用于壓差較小的場合。

對于線性穩壓來說，其特點是電路[GK!5]簡單，所需原件數量少，輸入和輸出壓差可以很大，但其致命弱點就是效率低，功耗高。其效率η完全取決于輸出電壓大小。而DC to DC電路的特點就是效率高，升降壓靈活，但缺點是電路相對復雜，干擾較大。

對于12 V轉化5 V電路部分，為了滿足系統在電池供電情況下節能的要求。采用DC to DC電路高效率低功耗達到節能和功率的要求。電源適配器12 V或3個串聯電池11.8 V接入，通過額定3 mA的自恢復保險后12 V輸入電壓，采用LM2596-5的電源芯片轉化硬件系統外設所需的5 V電壓。其轉換效率約為82%。

12 V電壓轉換5 V原理圖如圖1所示。

對于5 V轉換3 V，3 V轉換1.8 V電路部分，由于采用3 V和1.8 V供電的各個電路模塊對功率要求不高，為了簡化電路，采用線性穩壓方案。分別用LM1117-3 V和LM1117-1.8 V電源芯片轉換成所需的3 V和1.8 V電壓。只需在各個電壓和地間接100 μF/6.3 V的極性電容和0.1 μF的旁路電容即可。

2.2 電池動態沖放電保護電路設計

如今便攜式電子產品越來越受歡迎，其電池設備也成為關注的焦點。由于鋰離子電池和聚合鋰電池能量密度大、使用時間長、滿足環保要求，其已逐漸取代鎳鎘電池和鎳氫電池，成為便攜式設備的首選充電電池。根據大多數廠家的數據，單個鋰離子電池放電保護設定值2.2 V以上，低于2.2 V將造成電池損壞，充電電壓高于4.2 Ｖ同樣會損壞電池。然而多個鋰電池串聯使用最難的問題在于：每只電池電壓絕對平衡，關鍵在于充電電路的設計上。

選用MM1414鋰電池專用保護芯片，通過外圍采樣電路將電池組在充放電時的電壓、電流、溫度等信號傳送到MM1414保護芯片，由保護芯片根據實時情況作出判斷，關閉、開啟相應的型號為4435的MOSFET從而能使電池組執行正常的充放電工作。電池保護電路如圖2所示。

將鋰電池與保護板按接線圖連接，當電池電壓處于過充電壓與過放電壓之間，并對P+，B-充電1 s后，P+與B-的輸出電壓為電池電壓。電池過充保護功能：在P+與B-之間加上充電器，對電池充電，電池電壓充到過充檢測電壓（4.35±0.025 V）時，保護電路動作，切斷充電通路，實現過充保護。電池過放保護功能：在P+與B-之間接上負載讓電池放電，當電池電壓下降到過放電壓（2.3±0.1 V）時，保護電路動作，關斷放電通路，實現過放保護。短路保護功能：當P+與B-短路時，保護電路會在5~50 μs內迅速動作，切斷通路，實現短路保護。過流保護功能：當V-端電壓達（0.15±0.015 V）時，保護電路會在5~15 ms內迅速動作，切斷通路，實現過流保護。過放保護恢復電壓：在常溫常壓下，將電池連接到水泥電阻負載放電，當電流突然變為零時，斷開負載，電池立即恢復輸出，此時，只需將充電電源電壓調至比電池電壓高0.1 V即可對電池進行充電。

2.3 LCD驅動電路設計

S3C2410內部集成LPC3600控制模塊，可以直接接入三星LTS350Q1-PD1屏，但這個屏已經停產，因此采用SHARP LQ035Q7DB02需額外進行時序轉換和背光電路設計。時序轉換芯片采用LZ9FC22和LCD象素采用5∶6∶5的模式，接入方式如圖3所示。背光部分采用MAX1664芯片轉換21.6 V和-10 V電壓提供給LCD背光部分。

2.4 USB HOST供電重新設計

USB接口可以從主機上獲得500 mA的電流，并且支持熱插拔，真正做到即插即用。在系統中USB HOST作為擴展接口接入USB無線網卡，由于無線網卡耗電量大而從主機得到的功率達不到要求而引起系統反復重啟。因此需要額外從電源部分提供5 V的大功率接入。

3 印刷電路設計

由于系統有數字和模擬信號混合，S3C2410采用BGA封裝走線復雜，電壓有1.8 V，3 V，5 V，12 V復雜繁多，各個模塊供電功率要求不等，保證系統穩定是重點考慮的問題。系統采用6層設計，各個電壓都在電源層劃分了一定的區域。同時對于大功率模塊的電源線特別加粗處理。

4 結 語

本系統成功地搭建了一個精簡的硬件平臺，在實現電池動態充放電和無外接電源下3個小時穩定工作的同時不犧牲軟件功能，成功地在其上運行ARM Linux，實現無線上網功能。在節能進行很好處理的同時保證所需的功能得到實現。隨著嵌入式系統在各個領域應用的越來越廣泛，對其功能、運行效率、節能、成本等要求越來越高。基于ARM 9及其他高端嵌入式系統將在工業控制、消費電子、醫療設備等多個領域將發揮越來越大的作用。

參 考 文 獻

［1］Samsung Electronics.S3C2410X 32-Bit RISC Microprocessor User′s Manual Revision 1.1.

［2］Mitsuma.Monolithic IC MM1414.

［3］Sharp.Technical Literature for Control IC for TFT-LCD Module No.LZ9FC22SHARP.

［4］ARX4435 Transceiver for Macair H009 SpecificationMaximum.

［5］Sharp.LQ035Q7DB02 TFTLCD ModuleProduct Specifications.

［6］車健.嵌入式系統的低功耗設計[J].電子測量技術，2005(3):16-18.

［7］張義和.Protel DXP電路設計大全[M].北京:中國鐵道出版社，2005.

［8］彭良智，王曉春，高波，等.LCD控制器驅動的24位TFT真彩屏接口設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2006(6):34-35，43.

［9］王水平.DC/DC變換器集成電路及應用升壓式DC/DC變換器[M].西安:西安電子科技大學出版社，2006.

［10］Jobn Catsoulis.嵌入式硬件設計[M].徐君明，許鐵軍，黃年松，等譯.北京：中國電力出版社，2004.

［11］沈文斌.嵌入式硬件系統設計與開發實例詳解[M]. 北京：電子工業出版社，2005.

［12］趙效敏.開關電源的設計與應用[M].上海:上海科學普及出版社，1995.

［13］陸治國.電源的計算機仿真技術[M].北京：科學出版社，2001.

［14］何加銘.嵌入式32位微處理器系統設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2006.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。