一種車載單元中智能電源的設(shè)計(jì)

　　高性能和低功耗是電子系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，嵌入式系統(tǒng)的功耗越來越受到人們的關(guān)注，這一點(diǎn)對(duì)于電池供電的便攜式嵌入式系統(tǒng)尤為明顯，在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，性能的提高總是伴隨著系統(tǒng)功耗的增加，解決好二者之間的矛盾，探索低功耗的電源管理技術(shù)，提供切實(shí)可行的解決方案，將是全球相關(guān)行業(yè)共同面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本文以電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)中車載單元提出了一種有效的智能電源管理解決方案。
　　智能交通系統(tǒng)（IntelligentTransportSystem,簡稱ITS）研究領(lǐng)域，是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，其是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。
　　1 ETC系統(tǒng)介紹
　　電子不停車收費(fèi)（ElectronicTollCollection,ETC）設(shè)計(jì)成由路邊讀寫設(shè)備（Road Side Unit,簡稱RSU）、車載單元（OnBoardUnit,簡稱OBU）、IC卡、計(jì)算機(jī)安全控管技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及賬務(wù)等幾大部分組成。
　　其組成由圖1.1 所示：

圖1. 1 ETC系統(tǒng)組成圖
　　OBU 中存有車輛的識(shí)別信息，如車牌號(hào)、汽車ID號(hào)，一般安裝于車輛前面的擋風(fēng)玻璃上，RSU安裝于收費(fèi)站旁邊，環(huán)路感應(yīng)器安裝于車道地面下。中心管理系統(tǒng)有大型的數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)大量注冊(cè)車輛和用戶的信息。當(dāng)車輛通過收費(fèi)站口時(shí)，環(huán)路感應(yīng)器感知車輛，路邊單元發(fā)出詢問信號(hào)，車載單元做出響應(yīng)。并進(jìn)行雙向通信和數(shù)據(jù)交換，中心管理系統(tǒng)獲取車輛識(shí)別、車型等信息并和數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)信息進(jìn)行比較判斷，根據(jù)不同情況來控制管理系統(tǒng)產(chǎn)生不同的動(dòng)作。通過路邊單元與車載單元進(jìn)行相互通信和信息交換，以達(dá)到對(duì)車輛的自動(dòng)識(shí)別，并自動(dòng)從該用戶的專用帳戶中扣除通行費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收費(fèi)。
　　因?yàn)镺BU在整個(gè)ETC 系統(tǒng)中起著非常重要的作用，而電源模塊的性能直接關(guān)系著OBU能否正常工作?，F(xiàn)有的OBU供電方式一般有兩種，但各有缺憾。據(jù)此，新的低功耗電源設(shè)計(jì)方法應(yīng)該產(chǎn)生。
　　2 低功耗智能電源在電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)中應(yīng)用設(shè)計(jì)方案
　　如OBU這種以嵌入式處理器為核心的系統(tǒng)，其功耗主要由處理器功耗和外圍電路功耗組成?？紤]實(shí)際的運(yùn)行情況，汽車在公路上行駛的整個(gè)過程中，經(jīng)過收費(fèi)站的時(shí)間是非常短的，OBU只需要在汽車經(jīng)過收費(fèi)站時(shí)工作，而且工作時(shí)間不到一秒鐘，其他絕大部分時(shí)間都不需要工作。OBU智能電源管理采用電池供電的方法，控制OBU 工作在兩種模式，睡眠模式和激活模式；當(dāng)車進(jìn)入收費(fèi)站時(shí)，OBU被激活，開始工作，處于激活模式；當(dāng)交易完成，車離開收費(fèi)站后，OBU馬上停止工作進(jìn)入睡眠模式。根據(jù)這種特點(diǎn)，對(duì)電源采用分級(jí)管理的策略，即分為待機(jī)電源與工作電源，如圖2.1。

圖2. 1 OBU電源管理分級(jí)模塊結(jié)構(gòu)圖
　　同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的分時(shí)供電控制，工作電源模塊又按功能模塊劃分獨(dú)立電源回路，各個(gè)模塊電源獨(dú)立可控，由主控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)。
　　激活的MCU,使用中斷編寫方式，對(duì)各個(gè)I/O 進(jìn)行判斷后分時(shí)控制，輸出各個(gè)耗電模塊的DC/DC使能高電平信號(hào)，分時(shí)為射頻接收、射頻發(fā)送、基帶電路、IC卡讀寫、賬戶管理及人機(jī)接口供電；在任一時(shí)刻，系統(tǒng)除主控制器外最多只為2 個(gè)模塊供電，大大減少了系統(tǒng)的功耗。
　　3 智能電源電路設(shè)計(jì)及器件選擇
　　3.1 放大電路設(shè)計(jì)
　　從檢波器檢測(cè)出來的信號(hào)是非常微弱的，可能是幾毫安甚至是微安級(jí)的，這么小的信號(hào)一般是不能滿足后級(jí)各種電路對(duì)信號(hào)幅度的要求，所以必須要進(jìn)行放大。運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流與帶寬是成正比的，帶寬越大，靜態(tài)電流也越大，這一點(diǎn)在各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商的選型表中可以明顯的看出；通過比對(duì)，為了設(shè)計(jì)出增益大、噪聲小、又具有一定帶寬的放大器，本設(shè)計(jì)選擇TLV2382 最為喚醒信號(hào)放大器。

圖3. 1 運(yùn)算放大器單電源供電電路
　　3.2 低功耗M C U 軟硬件設(shè)計(jì)
　　為了實(shí)現(xiàn)低功耗，MCU應(yīng)該選擇自身能耗低的型號(hào)，一款超低功耗MCU,主要從以下幾方面綜合考慮：系統(tǒng)平均電流、時(shí)鐘系統(tǒng)、中斷、片內(nèi)外設(shè)、BOR 保護(hù)、管腳漏電流、處理效率。根據(jù)這一特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇了美國德州儀器（TI ） 1996 年開始推向市場的一種16 位超低功耗的混合信號(hào)處理器（Mixed SignalProcessor） MSP430 系列單片機(jī)。
　　3.3 系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)計(jì)
　　對(duì)于一個(gè)帶有低電壓睡眠喚醒的系統(tǒng)，晶振的選擇非常重要。這是因?yàn)榈凸╇婋妷菏固峁┙o晶體的激勵(lì)功率減少，特別在睡眠喚醒時(shí)，造成晶振啟振很慢或根本就不能啟振，而啟動(dòng)時(shí)間過長將會(huì)明顯地增加系統(tǒng)的功耗。MSP430F2001 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以很好地解決這個(gè)問題。
　　低速時(shí)鐘選用12kHz 的VLOCLK,高頻由內(nèi)部集成的DCO振蕩器產(chǎn)生，可以通過調(diào)整的控制參數(shù)選擇合適的輸出頻率。
　　3.4 電源供電的設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)采用2 節(jié)干電池作為測(cè)試供電，通過電源芯片產(chǎn)生+3.3V的電壓。由于TPS79633 的輸入電壓范圍是2.7~5.5V,使能信號(hào)高電平，而且低電平，因而可以直接使用單片機(jī)的I/O 管腳作為使能信號(hào)。
　　MCU的工作與否完全由總開關(guān)的輸出POW所決定，單片機(jī)只在工作與斷電之間轉(zhuǎn)換。其他I/O 接口作為控制其余模塊的輸出，進(jìn)行分時(shí)控制。
　　3.5 軟件設(shè)計(jì)
　　在降低功耗上必須軟硬件結(jié)合才能達(dá)到理想的效果。軟件設(shè)計(jì)主要注意以下方面：
　　系統(tǒng)采用中斷編寫方式，對(duì)各個(gè)I/O 進(jìn)行判斷，分時(shí)控制，對(duì)每個(gè)模塊分時(shí)供電，從而降低功耗。其次輸出一個(gè)反饋信號(hào)，對(duì)總開關(guān)進(jìn)行控制，達(dá)到斷電的功能。
　　系統(tǒng)的功耗會(huì)隨著系統(tǒng)的頻率升高而增加，在系統(tǒng)開始工作后使用12kHz 的主時(shí)鐘可以降低工作時(shí)的功耗。
　　4 結(jié)論
　　嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮的設(shè)計(jì)原則，一個(gè)成功的低功耗設(shè)計(jì)應(yīng)該是硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的結(jié)合，從硬件設(shè)計(jì)開始，就應(yīng)該充分意識(shí)到一個(gè)低功耗應(yīng)用的特性，選擇一款合適MCU,通過對(duì)其特性的了解，設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案；在軟件設(shè)計(jì)上，要考慮到低功耗編程的特殊性，并盡量使用單片機(jī)的低功耗模式。