提高軍用手持機續航能力設計

劉彩霞

（解放軍92723部隊北京 100841）

提高軍用手持機續航能力設計

劉彩霞

（解放軍92723部隊北京 100841）

電源續航能力是軍用手持機設計的關鍵指標之一，它直接關系到一款手持機是否可用。在電池容量一定的情況下，提高軍用手持機續航能力的關鍵是：設計低功耗硬件平臺,重點考慮CPU選型、彩色屏幕選擇、電源芯片選擇和供電電路設計；采用動態電源管理技術；最大限度優化軟件等。

軍用手持機低功耗動態電源管理背光省電技術

1 引言

電源續航能力對軍用手持機，如單兵系統、無線電通訊、手持終端等設備而言是非常重要的指標，一款手持機是否可用，高續航能力是手持機設計的關鍵因素之一。一般而言，手持機都采用鋰電池供電。目前鋰電池電芯制造技術水平使電芯單位體積的電池容量己經接近鋰電池的極限。如果要提高電池容量就只有把鋰電池的體積擴大以增加電量。而手持機用戶對體積輕巧的要求，無法接受更大體積的電池。因此在電池容量一定的情況下，要提高手持機的續航能力，低功耗硬件平臺、動態電源管理以及盡可能優化軟件是手持機設計的關鍵。

2 低功耗硬件平臺設計

要提高手持機的續航能力，在滿足手持機實用功能的情況下，低功耗硬件平臺設計是首要問題。而在低功耗硬件平臺的設計中以下幾個問題是設計的重點。

2.1 CPU選型

在滿足技術性能指標的前提下，應盡量采用低功耗的工業級產品，這樣既可以滿足其實用性也可以最大限度降低手持機的功耗。第二，在設計中應選用低功耗并具有多種工作模式的CPU，這樣可以針對不同的任務處理需要，選用不同的工作模式，實現最大限度地控制功耗。第三，CPU的功率消耗分為兩大部分：內核消耗功率和外部接口控制器消耗功率，總的功率等于兩者之和。對于內核消耗功率，關鍵在于其供電電壓

和時鐘頻率；而外部接口控制器消耗功率，除了各個專門I/O控制器的功耗外，地址和數據總線寬度對功率消耗影響很大。由此可見，當CPU確定后，可以通過降低頻率和電壓來減少系統的功耗。現在CPU的主頻越來越高，由于軍用手持機通常功能比較單一，有時不需要太高的主頻，拿過高頻率的處理器運行簡單的程序，會造成資源的嚴重浪費，因此選用能夠動態調整主頻的CPU有助于降低手持機功耗。在CPU的選擇方面，我們推薦采用Intel的XScale芯片。比如，Intel XScale PXA27x是一款專門為手持設備設計的SOC芯片，其處理器主頻可運行于312／416／520／624MHZ等4種不同頻率，并且內置64MB的堆棧型內存。PXA27x加入了Intel獨有的SpeedStep動態電源管理技術，能根據系統需要動態調節CPU的性能，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降低移動設備功耗[1]，成為高端移動設備中最受歡迎的處理器之一。

2.2 彩色屏幕選擇

手持機的彩色屏幕耗電大約占手持機整機耗電量的50%，因此選擇合適的彩色屏幕對于手持機續航能力的提高具有非常重要的意義。手持機的彩色屏幕因為LCD品質和研發技術不同而有所差異，其種類大致有TFT、TFD、UFB、STN和OLED幾種。一般來說，顯示的顏色越多越能顯示復雜的圖像，畫面的層次也更豐富，但耗電也更大。因此彩色屏幕的選擇和低功耗設計是一個非常大的挑戰。

對于大多數軍用手持機來說一般不需要顯示非常復雜的圖形和太多動態的圖像，因此可選用低功耗的OLED顯示屏。OLED寬溫參數好，且與LCD屏相比，不需背光，電流在lOm A以內，亮度可調，因此功耗很小。也可以選用半反半透型的TFT液晶屏，陽光下可視，在光線比較好的環境下，可以關閉背光逆變器，非常節省能耗。

2.3 電源芯片選擇

電源設計中電源芯片應選用高效率器件，以提高電源效率。要正確選擇電源芯片，首先，要明確各個電路和器件所需要的輸入電壓和輸出電壓。其次，要注意芯片的靜態電流，好的電源芯片的靜態電流在μA級，較差的芯片在m A級，相差上千倍。靜態電流越小，電池的能耗就越少，壽命就越長。再次，注意要從實際的負載來考察效率，電源效率與輸出電流是密切相關的，當輸出電流很小或很大時，效率都會下降，因此要根據需要的電流來選擇電源芯片，以達到效率最大化。

2.4 供電電路設計

手持機一般會集成多個外部設備接口，比如Intel XScale PXA27x處理器支持USB接口、RS232串口以及多種多媒體接口。為降低電路功耗，應該為LCD、USB接口、RS232串口以及各個多媒體接口均設計獨立供電電路，并且供電電路采用GPIO控制，當電路不工作時關閉電源，最大限度降低功耗。

3 動態電源管理設計

電源設計與電源管理是手持機開發的重要環節，直接關系到電池的使用時間和整個系統工作的可靠性。系統不可能始終處于滿負荷狀態，因為系統的狀態隨時都在改變。電源管理通過動態工作模式的調整實現系統整體能耗的最優化。動態電源管理可讓系統動態調整處理器電壓和內核頻率，在需要的時候充足供電，在不需要的時候節能省電，從而達到降低功耗的目的。因此在電源設計中應采用具備休眠或等待狀態的低功耗元器件，便于CPU管理與控制。在設計中，電源管理必須實現系統功耗模式的切換。—般來說，系統功耗模式包括常規模式、空閑模式、休眠模式和睡眠模式。如圖1所示：

常規模式是指所有電源供應被打開，所有功能始終被提供；

空閑模式允許用戶停止對CPU時鐘信號的供應，此模式不改變時鐘信號的頻率，當有中斷產生時，CPU會被立刻激活；

休眠模式是把應用環境保存在閃存上，當重新開機時，程序把應用環境狀態從閃存里讀出，重新初始化后即可進入休眠前的工作狀態；

睡眠模式下關閉處理器核的電源供應，電源管理器開始監視等待一個喚醒事件，當接收到事件后，重新提供電源，并執行復位操作。

圖1系統功耗模式轉換圖

Intel XScale PXA27x低功耗處理器采用的增強型動態電源管理技術（Intel SpeedStep）更是將省電模式細分為6種，包

括:常規模式、空閑模式、深度空閑模式、待機模式、睡眠模式、深度睡眠模式，讓手持設備在不同情境下能達到最佳電力配置，最高能節省50%的能耗。IntelSpeedStep動態節能技術主要通過縮短與更改電壓／頻率(稱為P-state)相關的等待時間，實際上更頻繁地進行這些轉換，獲得更詳細的電源／性能平衡優化，從而大幅降低平均功耗[2]。

4 軟件優化設計

4.1 背光省電技術

手持機顯示系統因為背光的關系，耗電量是非常驚人的，某些類型的手持機的背光系統可達整機功耗的90%以上。目前較實際可行的背光省電技術有2種，即根據環境光調節背光技術和根據內容調節背光技術。根據環境光調節背光技術根據環境光的改變來調整背光，處理器會去讀取光傳感器的數值，了解目前環境光的強弱，然后將數值告訴LCD驅動，驅動程序將按照此數值動態的補償畫面并調整背光信號。根據內容調節背光技術則根據目前顯示的畫面隨時作省電調整。當處理器傳送—張圖片數據到LCD，分析器會統計分析欲顯示的畫面數據，然后根據每個影像的統計圖以及相關的設定重新計算補償之后得到的新畫面數據，并同步決定背光省電幅度，再依此數值動態調節背光信號來減少背光電流的消耗。

4.2 通過軟件實現動態電源管理

所謂通過軟件實現動態電源管理是根據設備實際工作狀態，給需要的電路供電，對一段時間內不工作的電路斷電，實時地調整供電控制，達到節省功耗的效果。例如，當多媒體接口不做相應的數據處理時，采取靜音省電技術或采用GPIO供電控制開關，可以有效地減少額外語音處理帶來的不必要功耗。同理，當需要USB接口或RS232串口傳輸大量數據時，可以考慮提高主頻或提高供電電壓；而在不傳輸數據時，采用降頻、降壓甚至關閉接口電路電源的方式，可以有效地省電。當手持機一段時間未接收到按鍵觸發的時候，自動關閉顯示屏，而在接收到按鍵觸發后，打開顯示，從而盡量節省供電消耗，延長待機時間。

4.3 軟件代碼優化

對于基于處理器系統的應用系統而言，低能耗軟件優化是非常好的降低系統能耗的技術方法。一般選用最有效的、最常被調用的、計算復雜度較高的應用程序來進行優化，可能的情況下可采用固件來進行加速。軟件代碼優化最終的目的是在執行較為復雜的應用程序時，盡量降低能耗。

綜上所述，要想使軍用手持機擁有足夠的續航能力，必須盡可能設計出低功耗的硬件平臺，最重要的是選擇最恰當的CPU和彩色顯示屏，并盡可能細致地設計供電電路；其次是要采用動態電源管理技術，讓手持設備獲得最優化的電源／性能平衡；最后一定要盡可能優化軟件設計，最大限度降低功耗，從而獲得最大的續航能力。

[1]IntelPXA27x Processor Fam ily Design Guide[S]．2004．

[2]IntelPXA27x Processor Fam ily Developer’sManual[S]．2004．

The Design o f Enhancing the Endurance Strength of the Personal D igital Assistant for M ilitary

LIU Cai-xia
(PLA 92723 Unit Army，Beijing 100841,China)

The endurance strength of the power supply isone of the key targets for the design of the Personal Digital Assistant(PDA) form ilitary.Itdirectly concernswhethera PDA isavailable.In the instance ofour finite electric capacity ofbatteries,the key ofenhancing endurance strength ofa PDA form ilitary isto design of low-power PDA hardware platform which focusCPU selection,LCD selection, power chipset choice and the design ofsupply circuits,to use the technique of the dynam ic powermanagement,and to optim ize software to the bestofourability,and so on.

personaldigitalassistant form ilitary;low energy consumption;dynam ic powermanagement;adaptive brightnesscontrol

TN 929

A

1008-1739(2014)13-66-3

定稿日期：2014-05-26