嵌入式系统电源通断电控制典型电路设计与研究

时间：2024-05-04

摘要：在嵌入式系统上电过程中，对设备电源具有较高要求。采用主控单片机设计能够对电源进行通断电控制的电路。继电器电源管理电路与设备电流短路保护电路能够很好地保障设备安全，具有较强的扩展性与通用性。电源管理模块软件设计则进一步采取电池等信息，为电路设计赋能。

关键词：嵌入式通断电控制典型电路电路设计

一、引言

随着基建设施越来越多，嵌入式系统对于供电持续性要求随之升高。通常情况下，供电主力为常用电源，也就是主电源，在面对突发情况时，该系统则会自动切换备用电源供电。现阶段，绝大多数嵌入式控制系统均采取的是DSP处理器（Digital Signal Processing）、ARM处理器（Acorn RISC Machine）、甚至于FPGA（Field Programmable Gate Array）等微处理器作为控制核心。通过这些微处理器，嵌入式系统能够进一步稳定供电电路。传统电路在切换电源时，一部分能够在主备电源电压不相等的情况下实现切换，还有一部分则会在切换过程中产生相当大的功耗。因此，设计一款高效、稳定、自动断电、反应灵敏、功耗低的电路尤为重要。可以说，设计出一种能实现主备电源自动切换、通断电自动控制、性能优、功耗低且适用于嵌入式系统的电路，具有重要意义。

二、嵌入式系统开发环境阐述

（一）嵌入式系统介绍

嵌入式系统是基于现代计算技术的应用系统，可以灵活地适应用户的需求（功能、可靠性、成本、体积、能耗、环境等）。该系统由硬件与软件两部分组成，可以进行独立运作。其中，软件内容涵盖软件运行环境、操作系统两个部分；硬件内容则包含信号处理器、存储器、通信模块等多方面内容。同时，嵌入式系统包括以下几方面的特点：第一，具有功耗低、体积小、集成度高、成本低的特点；第二，具有运行环境差异大的特点；第三，需要专用开发工具和方法进行设计；第四，包含专用调试电路。

近年来，随着电子电路集成工艺快速发展，计算机系统体积一再被压缩，但性能却在不断提升，使得系统向更加便携化方向发展。而便携式计算机的出现，使电池续航成了一个新的难题。众所周知，计算机的高性能往往伴随着高功耗，而电池技术发展无法匹配电子设备的迭代升级。由此，滞后的技术与日渐突出的环保意识，又进一步凸显了系统性能与功耗之间的矛盾。电源管理技术的出现则有效缓解了二者的对立性矛盾，其通过合理的电源分配有效降低系统的整体功耗，将电池寿命延长至2-3倍。这一技术的出现对依赖电池电源的移动设备来说极为重要。目前，电源管理技术已被广泛用于工业、能源、信息等多个领域，然而在嵌入式领域还较为罕见。这是由于通常情况下，在特殊应用场合开发嵌入式系统，而电源管理技术发展相对较慢，无法与之相匹配。基于此，本文将ARM作为控制中心，基于电源管理技术设计嵌入式电源通断电控制电路。

（二）软件开发环境

软件开发环境（SDE）又被称为集成式项目支援环境（IPSE），指的是基于基本硬件与宿主软件，为系统软件以及应用软件提供工程化开发与维护的一组软件。而为本研究提供开发与维护的软件由C语言编写而成。由于C语言的编程结构简单，因此采用了可应用于集成编程系统的灵活软件，以C语言实现电源管理系统软件开发。RealView MDK开发工具是软件编程的重要组成部分，其可以自动配置多种微控制器的详细启动代码，且自带调试器与仿真器功能，能够很好地支持本文所采用的处理器。

三、嵌入式系统电源通断电控制典型电路设计

ARM嵌入式系统在正常运行的情况下，会通过I/O管脚monitor连续输出秒脉冲，而外部单片机则有一个管脚与之相联。若想判断核心板是否正常运行，可通过监视秒脉冲的稳定程度来实现。若连续一段时间内均未收到秒脉冲信号，单片机的mainPoweretl端口则会输出低电平，以此强行切断核心板电源，实现电源通断电控制，原理如图1所示：

（一）电源管理模块硬件电路设计

1.继电器电源管理电路设计

主控单片机I/O端口能够控制继电器电源通断，进而实现设备电源合理配置。具体来说，继电器电路包括三个主要组成部分，分别为继电器驱动电路、光耦隔离电路、继电器保护电路。其中，继电器驱动电路常用型号为TD62003AP，其能够一定程度上实现电源通断电控制。换言之，当2003输入端为高电平时，输出口会相应地输出低电平；而输入端为低电平时，继电器线圈断电，继电器触点断开，实现自主通断电，电路原理如图2所示。光耦隔离电路构成为PC817A，其主要作用在于抗干扰，帮助电路平稳运行。设计光耦隔离能够很好地实现控制电压与驱动电压分析，实现信号单向传输。也就是说，单片机的I/O端口接引脚驱动电流不足以推动继电器继续工作时，由NPN构成的三极管会代替单片机继续驱动继电器工作（如图3）。继电器保护电路主要包括继电器线圈与反向二极管两部分。其中，二极管的应用目的在于保护继电器线圈，这是因为当感应线圈的电流突然中断并断开试图阻断电流的开关时，继电器线圈会产生电动势。此时，二极管的存在就是为这一电动势提供释放通道，以实现保护继电器，延长电池使用寿命的目的，原理图见图4。

该模块设计所选用的固态继电器具有寿命长、灵敏度高、控制功率小、转换速度快等特点，且符合220V的设计要求。通过固态继电器、可控硅等电子开关替代机械开关，可有效消除负载过重所产生的电火花，进而消除大部分电流干扰，提高继电器抗干扰能力。

2.设备电流短路保护电路设计

嵌入式系统应用于计算机中常常会出现过流、短路等现象，而这种现象会对系统电路以及设备产生一些不可逆的伤害。为避免此类伤害，本文将设计电流过流、短路等保护电路。具言之，电流互感器原理能够有效消除过流与短路现象，进一步保护系统。穿心式电流互感器本身结构并不设定一次绕组，而是由载流导线从L1至L2穿过由硅钢片擀卷制成的铁心起一次绕组作用。此时，二次绕组会均匀地缠绕在物体铁心上，与仪表、继电器、变送器等电流线圈二次负荷串联，进而形成闭合回路。一次繞组穿过电流互感器铁心中的匝数可以确定互感器变比，匝数越多，变比越小，反之亦然。

穿心式电流互感器可以组成电流保护电路，因此其又被称为保护用电流互感器。穿心式电流互感器可以与继电装置相互配合，在线路发生过流、短路等问题时，其能够继续向电源管理电路中的继电器提供信号，继而切断故障电路，以保障供电系统安全。当设备电源线圈的电流穿过穿心式电流互感器时，所产生的交变磁通感应会产生相应比例的二次电流。在经过桥式整流电路之后，该段电流会进入较强的电压比较器同相输入端，此时，反相输入端的参考电压比较输出则可作为数字信号。这种数字信号可以代替继电器控制电路走向。当电流处于正常状态时，继电器模块保持正常工作；当电流异常流动时，继电器则会迅速断开，数字信号接替继电器继续工作，以此最大限度地保护设备。

（二）电源管理模块软件设计

每个模块的接口功能是设计主系统软件驱动程序的关键。通过调用主驱动程序来编写顶级操作系统C/OS-II的软件。根据能源管理系统的技术要求，需要开发用于数据收集、SOC评估、通信、校准和数据存储的驱动程序。本文主要对数据采集与通信模块进行介绍。单片机的I/O口输出低电平。低电平驱动的优点在于，在系统通电并复位这一阶段，负载继电器将暂停工作，这种设置能够保障极大的安全性。光耦电路接通后，低电平将会加到三极管的底座上，三极管打开，线圈通电。继电器常开-常闭-常开。此外，每一个I/O端口均需要相应的指纹信息匹配，以此匹配软件权限。

1.数据采集

数据采集包括蓄电池电压、电流和温度的采集。具言之，电池监视器LTC6802用于测量电压。监视器芯片采用的是SPI通信，能够通过SPI串行接口链接S3C2440A。首先初始化S3C2440A和LTC6802，然后配置芯片的CPU输出并发送配置命令。同时，将值写入LTC6802注册表，发送读取设置命令并在注册表中读取。将读取值与写入值相比較，若二者相同，则配置正确，即执行电压读数。其次，鉴于芯片通过SPI总线进行通信，因此需要配置SPI总线并初始化其接口。初始化后，处理器可以发出命令启动AD转换，然后开始读取电池电压并保持电压。应注意，存储在存储器中的电压值可用于其他模块。处理器还可以通过分析值来确定正常电压，以选择是否打开平衡电路。选择回路时，程序通过设置标记来显示结果。电压采集的这些步骤具有相应的功能。

2.通信设计

电源管理系统主要采用串行通信和CAN通信。LCD和霍尔电流传感器采用串行通信。CAN总线完成采集板和主控制板之间的通信，以及无线电电池充电器之间的内部通信。整个电源管理系统在连接到CAN总线的通信网络中工作。通信协议0B标准参鉴CAN2.0，其将OSI可以建模的通信层和物理通信层进行定义。29位扩展帧标识符用于控制网络中的数据连接，并将其调整为标准。物理层符合并补充了SAEJ1939协议标准。通信采用29位标识符进行帧扩展，通信速度为250kb/s，并发送单帧消息，接收定期传输和传输机制的中断。随后需要配置CAN通信寄存器。Filtercode用于设置过滤器的工作模式，选择ID保护模式，过滤器将使用CAN滤波器比例配置为32位长度。禁止注册过滤器掩码标识符。收到所有返回的消息ID。每个消息ID在主功能中进行判断，最终统一处理。

四、嵌入式系统电源通断电控制典型电路测试

（一）测试环境

一方面，当电源管理继电器模块检测到授权身份验证信息时，相关继电器会立刻通电，设备电源将打开，特定指纹信息显示在LCD1602上。另一方面，上位机软件、测试管理应用程序管理界面登录和设备使用情况显示可以测试设备的远程打开和关闭。

（二）测试结果与性能

电源管理继电器模块的功能测试包括相应继电器通电，指纹信息识别后绿色指示灯闪烁。LCD1602显示相关指纹信息的ID。若检测到错误的指纹信息，将显示错误提示，系统将发出警报，红色LED将闪烁3秒钟。

五、结束语

本文设计了嵌入式系统电源通断电控制电路，不仅有效提高设备的使用寿命，还提高了电源管理效率。该电路适用于ARM、DSP等多个微处理器，同时还适用于嵌入式控制系统。并且，继电器电源管理电路、设备电流短路保护电路能够很好地保障设备安全，具有较强的扩展性与通用性，具备较好发展前景。

作者单位：陈章余江苏联合职业技术学院南京工程学院

参考文献

[1]曹佳平.基于霍尔传感器的电源控制系统设计[J].信息技术与信息化，2021（12）：79-81.

[2]王光祥.基于单片机的智能断电报警控制系统的设计与研究[J].数字技术与应用，2020 （12）：9-12.

[3]张文波.嵌入式系统上电过程的多路电压顺序转换电路设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2018（03）：40-42.