CN115877935B - 一种嵌入式系统的电源管理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种嵌入式系统的电源管理方法及系统，涉及操作系统的多模式管理技术领域。其中，电源管理方法应用于嵌入式系统，且嵌入式系统上设有若干个功耗监测点；该电源管理方法包括：获取模式切换指令；根据模式切换指令确定目标模式；目标模式为全速运行模式、浅度睡眠模式、深度睡眠模式、内部健康监测模式、外部健康监测模式和系统待机模式中的任意一种；根据目标模式，切换嵌入式系统的工作状态；获取各功耗监测点的输出电压和输出电流；根据输出电压和输出电流计算嵌入式系统的功耗。本发明能够避免嵌入式系统长期处于高功耗状态，且实现对嵌入式系统功耗的监测，提高系统的可靠性。

Description

一种嵌入式系统的电源管理方法及系统

技术领域

本发明涉及操作系统的多模式管理技术领域，特别是涉及一种嵌入式系统的电源管理方法及系统。

背景技术

随着芯片集成度的提高，芯核密度也随之增大，而由功耗转化的热量使得器件芯片温度急剧升高，温度的升高会严重的影响系统的可靠性。系统如果长期以高功耗的工作模式工作势必会严重的影响系统的寿命，因此需要对嵌入式平台进行多模式管理优化，特别是对嵌入式系统的电源进行管理。

发明内容

本发明的目的是提供一种嵌入式系统的电源管理方法及系统，以避免嵌入式系统长期处于高功耗状态，且实现对嵌入式系统功耗的监测，提高系统的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种嵌入式系统的电源管理方法，所述电源管理方法应用于嵌入式系统，所述嵌入式系统上设有若干个功耗监测点；所述电源管理方法包括：

获取模式切换指令；

根据所述模式切换指令确定目标模式；所述目标模式为全速运行模式、浅度睡眠模式、深度睡眠模式、内部健康监测模式、外部健康监测模式和系统待机模式中的任意一种；

根据所述目标模式，切换所述嵌入式系统的工作状态；

获取各所述功耗监测点的输出电压和输出电流；

根据所述输出电压和所述输出电流计算所述嵌入式系统的功耗。

可选地，所述嵌入式系统包括：主控模块、电源模块、数据采集模块和显示模块；所述数据采集模块包括：外部数据采集单元和内部数据采集单元；所述主控模块分别与所述电源模块、所述外部数据采集单元、所述内部数据采集单元和所述显示模块连接；所述内部数据采集单元与所述电源模块连接；所述外部数据采集单元与所述嵌入式系统的外接电源连接；所述电源模块的各级电源输出端均设有功耗监测点；所述电源模块和所述外接电源均用于为所述主控模块供电；

根据所述目标模式，切换所述嵌入式系统的工作状态，具体包括：

当所述目标模式为全速运行模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为正常工作状态，将所述主控模块切换为正常工作状态，以使所述电源模块处于正常功耗状态；

当所述目标模式为浅度睡眠模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为休眠状态，将所述主控模块切换为待使能状态，以使所述电源模块处于第一低功耗状态；所述电源模块在所述第一低功耗状态下的功耗小于在所述正常功耗状态下的功耗；

当所述目标模式为深度睡眠模式时，将所述显示模块切换为熄屏状态，将所述数据采集模块切换为休眠状态，将所述主控模块切换为待激活状态，以使所述电源模块处于第二低功耗状态；所述电源模块在所述第二低功耗状态下的功耗小于在所述第一低功耗状态下的功耗；

当所述目标模式为内部健康监测模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为内部数据采集单元工作状态，将所述主控模块切换为正常工作状态，以使所述电源模块处于正常功耗状态，并对所述内部数据采集单元进行故障诊断；

当所述目标模式为外部健康监测模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为外部数据采集单元工作状态，将所述主控模块切换为正常工作状态，以使所述电源模块处于正常功耗状态，并对所述外部数据采集单元进行故障诊断；

当所述目标模式为系统待机模式时，将所述显示模块切换为熄屏状态，将所述数据采集模块切换为休眠状态，将所述主控模块切换为休眠状态，以使所述电源模块处于静态功耗状态；所述电源模块在所述静态功耗状态下的功耗小于在所述第二低功耗状态下的功耗。

可选地，所述主控模块包括：处理系统和外设系统；所述处理系统包括：中央处理器、中断控制器、二级高速缓冲存储器、双倍速率同步动态随机存储器、锁相环控制器和监测控制单元；所述锁相环控制器包括：第一锁相环时钟控制器、第二锁相环时钟控制器和第三锁相环时钟控制器；

所述监测控制单元、所述中断控制器、所述二级高速缓冲存储器和所述双倍速率同步动态随机存储器分别与所述中央处理器连接；所述第一锁相环时钟控制器与所述中央处理器连接；所述第二锁相环时钟控制器与所述双倍速率同步动态随机存储器连接；所述第三锁相环时钟控制器与所述外设系统连接。

可选地，将所述主控模块切换为待使能状态，具体包括：

关闭所述中断控制器；

使能所述二级高速缓冲存储器的动态门控时钟；

将所述监测控制单元的工作模式设置为伴随模式；

停止所述中央处理器的高频开关电源时钟；

使能所述中央处理器的动态门控时钟；

将所述双倍速率同步动态随机存储器的工作模式设置为自刷新模式。

可选地，将所述主控模块切换为待激活状态，具体包括：

关闭所述中断控制器；

使能所述二级高速缓冲存储器的动态门控时钟；

将所述监测控制单元的工作模式设置为伴随模式；

停止所述中央处理器的高频开关电源时钟；

使能所述中央处理器的动态门控时钟；

将所述双倍速率同步动态随机存储器的工作模式设置为自刷新模式；

将所述双倍速率同步动态随机存储器的时钟频率降低至第一设定时钟频率；

将所述中央处理器的时钟频率降低至第二设定时钟频率。

可选地，将所述主控模块切换为休眠状态，具体包括：

关闭所述中断控制器；

使能所述二级高速缓冲存储器的动态门控时钟；

将所述监测控制单元的工作模式设置为伴随模式；

停止所述中央处理器的高频开关电源时钟；

使能所述中央处理器的动态门控时钟；

将所述双倍速率同步动态随机存储器的工作模式设置为自刷新模式；

采用所述第一锁相环时钟控制器将所述中央处理器的锁相环频率设置为第一设定锁相环频率；

采用所述第二锁相环时钟控制器将所述双倍速率同步动态随机存储器的锁相环频率设置为第二设定锁相环频率；

采用所述第三锁相环时钟控制器将所述外设系统的锁相环频率设置为第三设定锁相环频率；

配置所述中央处理器的时钟分频，使所述中央处理器中的ARM时钟寄存器频率降低至设定寄存器频率；

将所述中央处理器的工作模式设置为中断唤醒模式或事件唤醒模式。

可选地，所述第一设定时钟频率为100MHz，所述第二设定时钟频率为100MHz。

可选地，所述第一设定锁相环频率为100MHz，所述第二设定锁相环频率为100MHz，所述第三设定锁相环频率为50MHz，所述设定寄存器频率为100MHz。

一种嵌入式系统的电源管理系统，所述电源管理系统应用于嵌入式系统，所述嵌入式系统上设有若干个功耗监测点；所述电源管理系统包括：

指令获取模块，用于获取模式切换指令；

模式确定模块，用于根据所述模式切换指令确定目标模式；所述目标模式为全速运行模式、浅度睡眠模式、深度睡眠模式、内部健康监测模式、外部健康监测模式和系统待机模式中的任意一种；

状态切换模块，用于根据所述目标模式，切换所述嵌入式系统的工作状态；

数据监测模块，用于获取各所述功耗监测点的输出电压和输出电流；

功耗计算模块，用于根据所述输出电压和所述输出电流计算所述嵌入式系统的功耗。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的嵌入式系统的电源管理方法，设有六种工作模式，包括全速运行模式、浅度睡眠模式、深度睡眠模式、内部健康监测模式、外部健康监测模式和系统待机模式，能够针对嵌入式系统的运行需求切换工作模式，避免了嵌入式系统长时间在正常工作模式（即全速运行模式）下运行带来的高功耗问题；并且，由于在嵌入式系统上设有若干个功耗监测点，通过实时获取各功耗监测点的输出电压和输出电流，能够计算嵌入式系统的功耗，从而实时监测嵌入式系统的运行状态，提高了系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的电源管理方法的流程图；

图2为本发明提供的嵌入式系统的硬件框图；

图3为本发明提供的电源模块的供电树图；

图4为本发明提供的数据采集模块的原理示意图；

图5为本发明提供的ZYNQ时钟生成的过程示意图；

图6为本发明提供的电源管理系统的模块图。

符号说明：

主控模块—1，电源模块—2，数据采集模块—3，显示模块—4，外接电源—5，电流采样电阻—31，双通道模拟开关—32，电流感测放大器—33，运算放大器—34，模数转换器—35。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于目前针对嵌入式系统电源管理的研究并不多，因此需要研究一种多模式管理方案，主要从两个方面进行研究与软硬件开发：一方面是基于嵌入式系统的多模式管理研究，基于实时系统，围绕多任务管理，基于控制进行多线程、多任务管理优化研究，在系统上基于嵌入式微处理器进行开发；另一方面是电源模块的多模式切换控制，利用现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA），实现切换控制，面向开关电源，以低功耗设计为目标，实现电源模块的控制。

为解决基于多模式的嵌入式系统电源管理研究的缺失，本发明的目的是提供一种嵌入式系统的电源管理方法及系统，以避免嵌入式系统长期处于高功耗状态，且实现对嵌入式系统功耗的监测，提高系统的可靠性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种嵌入式系统的电源管理方法，所述电源管理方法应用于嵌入式系统，所述嵌入式系统上设有若干个功耗监测点；所述电源管理方法包括：

步骤101：获取模式切换指令。

步骤102：根据所述模式切换指令确定目标模式；所述目标模式为全速运行模式、浅度睡眠模式、深度睡眠模式、内部健康监测模式、外部健康监测模式和系统待机模式中的任意一种。

步骤103：根据所述目标模式，切换所述嵌入式系统的工作状态。

步骤104：获取各所述功耗监测点的输出电压和输出电流。

步骤105：根据所述输出电压和所述输出电流计算所述嵌入式系统的功耗。

下面分别对上述步骤进行详细说明。

一、首先，对嵌入式系统的硬件方案进行总体架构设计。

如图2所示，所述嵌入式系统包括：主控模块1、电源模块2、数据采集模块3和显示模块4；所述数据采集模块3包括：外部数据采集单元和内部数据采集单元；所述主控模块1分别与所述电源模块2、所述外部数据采集单元、所述内部数据采集单元和所述显示模块4连接；所述内部数据采集单元与所述电源模块2连接；所述外部数据采集单元与所述嵌入式系统的外接电源5连接；所述电源模块2的各级电源输出端均设有功耗监测点；所述电源模块2和所述外接电源5均用于为所述主控模块供电；所述主控模块1用于进行数据处理和控制；所述数据采集模块3中的内部数据采集单元用于采集所述电源模块2的输出电压、输出电流等信息；所述数据采集模块3中的外部数据采集单元用于采集所述外接电源5的输出电压、输出电流等信息。

作为一种具体的实施方式，所述主控模块1为Xilinx的Zynq-7000系列的ZYNQ-7045开发板（以下可简称为FPGA），其使用的芯片为Kintex-7 XC7Z045。Zynq-7045开发板集成了功能丰富的基于双核ARM Cortex-A9的处理系统（PS）和基于28nm工艺设计的Kintex-7XC7Z045芯片的可编程逻辑（PL）。ARM Cortex-A9 CPU是PS端的核心，另外还包括了片上存储器、外部存储器接口、拨码开关，按钮以及丰富的连接接口。

具体地，所述主控模块1包括：处理系统和外设系统；所述处理系统包括：中央处理器（即双核ARM Cortex-A9）、中断控制器、二级高速缓冲存储器、双倍速率同步动态随机存储器、锁相环控制器和监测控制单元；所述锁相环控制器包括：第一锁相环时钟控制器、第二锁相环时钟控制器和第三锁相环时钟控制器；所述监测控制单元、所述中断控制器、所述二级高速缓冲存储器和所述双倍速率同步动态随机存储器分别与所述中央处理器连接；所述第一锁相环时钟控制器与所述中央处理器连接；所述第二锁相环时钟控制器与所述双倍速率同步动态随机存储器连接；所述第三锁相环时钟控制器与所述外设系统连接。

其中，监测控制单元（Snoop Control Unit，SCU）用来保持双核之间的数据Cache的一致性。也就是说，第一个A9处理器写存储时，只是写在了缓存里，没有进主存，如果第二个A9读操作，涉及到第一个写脏了的数据段，SCU要保证第二个A9的缓存里是最新的数据。如果第二个A9写同样数据段的数据，需要在第一个中体现出写的内容。SCU的存在，才使得两个核成互相联系的“双核”，才能成为MPsoc。

优选地，所述电源模块2为Zynq7045板级电源模块；所述显示模块4为外接主机，用于额外提供一些显示功能及故障诊断方案；所述数据采集模块3的外部数据采集单元和内部数据采集单元均包括依次连接的电流采样电阻、双通道模拟开关、电流感测放大器、运算放大器和模数转换器。其中，所述电流采样电阻的型号为Y14730R00500B0R，所述双通道模拟开关的型号为MAX20327EWL+T_1A，所述电流感测放大器的型号为INA21X，所述运算放大器选择的型号为Opa388，所述模数转换器的型号为AD7616，但并不以此为限制，可以根据实际需要进行调整。

二、其次，设计操作系统多模式方案以及确定相应的模式切换设置。

所述嵌入式系统共有六种可选模式，包括：全速运行模式、浅度睡眠模式、深度睡眠模式、内部健康监测模式、外部健康监测模式和系统待机模式。

在不同工作模式下，所述嵌入式系统的各模块的工作状态如表1所示：

表1  嵌入式系统各模块的工作状态表

当所述目标模式为全速运行模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为正常工作状态，将所述主控模块切换为正常工作状态，以使所述电源模块处于正常功耗状态。

当所述目标模式为浅度睡眠模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为休眠状态，将所述主控模块切换为待使能状态，以使所述电源模块处于第一低功耗状态；所述电源模块在所述第一低功耗状态下的功耗小于在所述正常功耗状态下的功耗。

其中，将所述主控模块切换为待使能状态，具体包括：

（1.1）关闭所述中断控制器。这一步骤的目的是为了关闭系统中断。

（1.2）使能所述二级高速缓冲存储器的动态门控时钟。具体地，通过设置中央处理器中的reg15_power_ctrl[1:0]寄存器（即第一电源控制寄存器）使能二级高速缓冲存储器（L2 Cache）的动态门控时钟。

（1.3）将所述监测控制单元的工作模式设置为伴随模式。具体地，配置应用处理单元（Application Processing Unit，APU）中的SCU_CONTROL_REGISTER[6]寄存器将监测控制单元（Snoop Control Unit，SCU）设置成伴随模式。其中，APU的主要部分是两个ARM处理核，每一个ARM处理核都与一些可计算的单元相关联，包括：NEONTM媒体处理引擎（MediaProcessing Engine，MPE）、浮点单元（Floating PointUnit，FPU）、内存管理（MemoryManagement Unit，MMU）和一个L1 Cache（由指令和数据两个部分组成），APU里还包含一个L2 Cache，还有片上存储器（On Chip Memory，OCM），最后，由SCU在ARM核和L2 Cache及OCM之间形成了桥连接。也就是说，所述中央处理器、所述二级高速缓冲存储器、所述中断控制器、所述监测控制单元、浮点和NEON协处理器、硬件加速器等均在所述应用处理单元中。

（1.4）停止所述中央处理器的高频开关电源时钟。具体地，通过设置系统级控制寄存器中的TOPSW_CLK_CTRL[0]寄存器（即时钟控制寄存器）停止中央处理器（CentralProcessing Unit，CPU）中的高频开关电源时钟（TOPSwitch clock）。

（1.5）使能所述中央处理器的动态门控时钟。具体地，通过设置协处理器CP15中的power_control_register寄存器（即第二电源控制寄存器）使能中央处理器（具体为Cortex-A9芯片）的动态门控时钟。其中，所述协处理器位于所述外设系统中，且所述协处理器与所述中央处理器连接。

（1.6）将所述双倍速率同步动态随机（Double Data Rate，DDR）存储器的工作模式设置为自刷新模式。

当所述目标模式为深度睡眠模式时，将所述显示模块切换为熄屏状态，将所述数据采集模块切换为休眠状态，将所述主控模块切换为待激活状态，以使所述电源模块处于第二低功耗状态；所述电源模块在所述第二低功耗状态下的功耗小于在所述第一低功耗状态下的功耗。

其中，将所述主控模块切换为待激活状态，具体包括：

（2.1）关闭所述中断控制器。

（2.2）使能所述二级高速缓冲存储器的动态门控时钟。

（2.3）将所述监测控制单元的工作模式设置为伴随模式。

（2.4）停止所述中央处理器的高频开关电源时钟。

（2.5）使能所述中央处理器的动态门控时钟。

（2.6）将所述双倍速率同步动态随机存储器的工作模式设置为自刷新模式。其中，步骤（2.1）至步骤（2.6）与步骤（1.1）至步骤（1.6）相同，在此不做赘述。

（2.7）将所述双倍速率同步动态随机存储器的时钟频率降低至第一设定时钟频率。

（2.8）将所述中央处理器的时钟频率降低至第二设定时钟频率。

优选地，所述第一设定时钟频率为100MHz，所述第二设定时钟频率为100MHz。即通过对于锁相环（Phase Locked Loop，PLL）时钟的编程降低DDR存储器以及CPU频率为100MHz。

当所述目标模式为内部健康监测模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为内部数据采集单元工作状态，将所述主控模块切换为正常工作状态，以使所述电源模块处于正常功耗状态，并对所述内部数据采集单元进行故障诊断。

当所述目标模式为外部健康监测模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为外部数据采集单元工作状态，将所述主控模块切换为正常工作状态，以使所述电源模块处于正常功耗状态，并对所述外部数据采集单元进行故障诊断。

当所述目标模式为系统待机模式时，将所述显示模块切换为熄屏状态，将所述数据采集模块切换为休眠状态，将所述主控模块切换为休眠状态，以使所述电源模块处于静态功耗状态；所述电源模块在所述静态功耗状态下的功耗小于在所述第二低功耗状态下的功耗。

其中，将所述主控模块切换为休眠状态，具体包括：

（3.1）关闭所述中断控制器。

（3.2）使能所述二级高速缓冲存储器的动态门控时钟。

（3.3）将所述监测控制单元的工作模式设置为伴随模式。

（3.4）停止所述中央处理器的高频开关电源时钟。

（3.5）使能所述中央处理器的动态门控时钟。

（3.6）将所述双倍速率同步动态随机存储器的工作模式设置为自刷新模式。其中，步骤（3.1）至步骤（3.6）与步骤（1.1）至步骤（1.6）相同，在此不做赘述。

（3.7）采用所述第一锁相环时钟控制器将所述中央处理器的锁相环频率设置为第一设定锁相环频率。

（3.8）采用所述第二锁相环时钟控制器将所述双倍速率同步动态随机存储器的锁相环频率设置为第二设定锁相环频率。

（3.9）采用所述第三锁相环时钟控制器将所述外设系统的锁相环频率设置为第三设定锁相环频率。

（3.10）配置所述中央处理器的时钟分频，使所述中央处理器中的ARM时钟寄存器频率降低至设定寄存器频率。

（3.11）将所述中央处理器的工作模式设置为中断唤醒模式或事件唤醒模式。具体地，执行WFI（Wait For Interrupt）或WFE（Wait For Event）指令，使中央处理器进入中断唤醒的低功耗模式或事件唤醒的低功耗模式，同时不影响系统的加载信息。

优选地，所述第一设定锁相环频率为100MHz，所述第二设定锁相环频率为100MHz，所述第三设定锁相环频率为50MHz，所述设定寄存器频率为100MHz。

即：步骤（3.7）至步骤（3.9）具体包括：通过设置FPGA中系统级控制寄存器中的PLL控制器ARM_PLL_CTRL[4:0]（即第一锁相环时钟控制器）为60MHz，DDR_PLL_CTRL[4:0]（即第二锁相环时钟控制器）为25MHz以及IO_PLL_CTRL[4:0]（即第三锁相环时钟控制器）为100MHz，使PLL时钟ARMPLL为100MHz，DDRPLL为100MHz以及I/OPLL为50MHz。步骤（3.10）具体包括：设置FPGA中系统级控制寄存器中的ARM_CLK_CTRL[28:4]寄存器（即ARM时钟寄存器）为100MHz。

需要注意的是，上述方案为理想状态下的模式管理软件方案，但是当有突发情况时，仍然需要有相关的软件方案使得系统能快速切换成正常工作模式（即全速运行模式），以下是详细介绍。

（1）全速运行模式下，各模块正常工作。FPGA通过数据采集模块获取传感器的模拟信号，通过RS-485接口获取外部传感器的数据，为了对传感器数据进行信号处理，FPGA将数据通过总线发送给显示模块，至此，系统完成了一个周期的正常工作。

（2）浅度睡眠模式的目标之一是保证系统处于就位状态，对步骤（1.1）~（1.6）进行操作，整个系统处于就位状态，FPGA收到模式切换指令以后能快速控制系统进入正常工作模式，此时除了可配置逻辑块和嵌入式块RAM，其他模块正常工作，当空闲时间短时，系统处于频繁启动的状态，此时进入深度睡眠模式几乎无法带来减少发热的效果，反而因为系统的芯片反复切换状态给电源模块造成负担，所以此时只运行浅度睡眠模式。

（3）深度睡眠模式对步骤（2.1）~（2.8）进行操作，此时除了数字时钟管理模块、布线资源和内嵌专用硬核外，其他模块都不工作，在此模式下，执行唤醒操作时需要较长的响应时间，只能应用在温度允许极限或对于系统响应无要求的情况之下。当系统长时间不工作时，可以有较为充足的深度休眠时间使得系统温度降至较低水平，此时应该先将正常工作模式切换成深度睡眠模式，当空闲时间即将结束时，为了减少对电源模块的负担，系统先提前进入浅度睡眠模式，然后在收到启动指令后进入正常工作模式。

（4）内部健康检测模式下，将会对内部数据采集单元进行故障诊断。内部数据采集包括电流测量、电压测量和温度测量。由于电压测量功能是针对系统的电源电压，这部分电压已知，只需判断是否超过正常范围即可。电流的测量针对系统的部分电源。温度检测的故障诊断是通过对比同一温度测量点的三个温度传感器，当常用传感器与另外两个传感器数据不一致时判定该传感器故障。

（5）外部健康检测模式下，将会对外部数据采集单元进行故障诊断。外部数据采集单元用于对外接的传感器的模拟信号进行采样，进行故障诊断时，可断开传感器信号，然后通过模拟开关接入固定电压，看A/D转换器输出是否超出正常范围来判断外部数据采集系统是否故障。

（6）系统休眠下对步骤（3.1）~（3.11）进行操作，只保留静态功耗，整个系统都处于睡眠模式。

为便于理解上述操作，下面对FPGA的组成结构及模块功能进行简要说明。

1、可编程输入输出单元（IOB）

可编程输入/输出单元简称I/O单元，是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求，FPGA的I/O按组分类，每组都能够独立地支持不同的I/O标准。通过软件的灵活配置，可适配不同的电气标准与I/O物理特性，可调整驱动电流的大小，可以改变上下拉电阻。目前I/O口频率越来越高，一些高端的FPGA通过DDR寄存器技术可支持高达2Gbps的数据速率。

2、可配置逻辑块（CLB）

CLB是FPGA内的基本逻辑单元，CLB的实际数量和特性会依据器件的不同而不同，但每个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由4或6个输入、一些选型电路（多路复用器等）和触发器组成。开关矩阵是高度灵活的，可对其进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。每个CLB模块不仅可用于实现组合逻辑、时序逻辑，还可配置分布式RAM和分布式ROM。

3、数字时钟管理模块（DCM）

业内大多数FPGA均提供数字时钟管理。目前较为先进的FPGA均能够提供数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能。

4、嵌入式块RAM（BRAM）

大多数FPGA都具有内嵌的块RAM，这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。块RAM可被配置为单端RAM、双端口RAM、内容地址存储器（CAM）以及FIFO等常用存储结构。RAM、FIFO是比较普及的概念，在此就不冗述。CAM存储器在其内部的每个存储单元中都有一个比较逻辑，写入CAM中的数据会和内部的每一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所有数据的地址，因而在路由的地址交换器中有广泛的应用。除了块RAM，还可以将FPGA中的LUT灵活地配置成RAM、ROM和FIFO等结构。在实际应用中，芯片内部块RAM的数量也是选择芯片的一个重要因素。

5、布线资源

布线资源连通FPGA内部的所有单元，而连线的长度和工艺决定了信号在连线上的驱动能力和传播速度。FPGA芯片内部有着丰富的布线资源，根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为4类不同的类别。第一类是全局布线资源，用于芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线；第二类是长线资源，用以完成芯片Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线；第三类是短线资源，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线；第四类是分布式的布线资源，用于专有时钟、复位等控制信号线。

6、底层内嵌单元

内嵌功能模块主要指DDL、PLL、DSP等软处理核，现在越来越丰富的内嵌功能单元，使得单片FPGA成为了系统级的设计工具，使其具备了软硬件联合设计的能力，逐步向SOC平台过渡。

7、内嵌专用硬核

内嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的，指FPGA处理能力强大的硬核，等效于ASIC电路。为了提高FPGA性能，芯片生产商在芯片内部集成了一些专用的硬核。

三、最后，对系统多模式下功耗监测点进行配置，完成多模式下系统功耗的监测，记录系统节省的功耗。

具体地，功耗监测点设置为各级电源输出端，能够采集电压、电流信号。根据监测点计算输出电压的总功率，相应计算各模块功耗，具体公式为：

W=UIT

其中，W为功耗，U为输出电压，I为输出电流，T为时间。

下面以一个具体实施例，对本发明提供的嵌入式系统的电源管理方法进行进一步说明。

本实施例在自研硬件架构平台上进行了多模式电源管理实验。包含主控模块1、电源模块2、数据采集模块3、显示模块4等。其硬件方案设计如图2所示。

其中主控模块1采用Xilinx的Zynq-7000系列的ZYNQ-7045开发板，其使用的芯片为Kintex-7 XC7Z045。Zynq-7045开发板集成了功能丰富的基于双核ARM Cortex-A9的处理系统（PS）和基于28nm工艺设计的Kintex-7 XC7Z045芯片的可编程逻辑（PL）。

ZYNQ主要分为PS（Processing System）端和PL（Programmable Logic）端。在PS端，主要是ARM处理器搭配外围设备，能够访问SD卡、DDR、NAND等存储单元。在PL端，主要是现场可编辑逻辑门，该端具有BRAM、DSP、LUT等丰富资源，主要用来实现系统的硬件加速。PS端和PL端通过AXI总线、GP接口、HP接口等进行信息交互。Xilinx Zynq-7045的PS端内部处理器是工作频率为800MHZ的双核ARMCortexA9，PS和PL端分别具有一片MT41K256M16RE125DDR3，PL端的资源和Xilinx Kintex-7 FPGA的资源一致，PL端的可编程逻辑单元个数为350K，查找表LUTs（look-up Tables）的个数为218600，触发器（Flip-Flop）个数为437200，BlockRam的内存为19.2MB，DSP（Digital Signal Processing）的个数为90。

其中电源模块2为Zynq7045板级电源。FPGA开发板PS侧的上电顺序依次为VCCPINT（内核供电电压）、VCCPAUX（内核辅助供电电压）、VCCPLL（PLL供电电压）、VCCO（I/O口供电电压），断电顺序和上电顺序正好相反。另外如果VCCPAUX、VCCPLL、VCCO_XXX电源电压一致，则可同时上电/断电。FPGA开发板PL侧的上电顺序依次为VCCINT、VCCBRAM、VCCAUX、VCCO，断电顺序和上电顺序正好相反。另外如果VCCINT、VCCBRAM电源电压一致，则可同时上电/断电；如果VCCAUX、VCCO电源电压一致，则可同时上电/断电。Zynq7045板级电源的电源供电树如图3所示，12V输入电源依次经12V软起电路和12V转5V电源后，得到5V电源，5V电源分别经5V转1V电源、5V转1.2V电源、5V转1.5V电源、5V转1.8V电源和5V转3.3V电源等，得到不同的输出电压。其中，VCCINT/VCCBRAM/VCCPINT表示PS内部逻辑电压，MGTAVCC表示GTX收发器模拟供电电压，VCCIO15/VCC_DDR表示I/O口/DDR供电电压，VCCAUX/VCCPAUX/VCCIO18表示PL辅助供电电压，VCCPLL表示PLL供电电压，MGTVCCAUX表示收发器辅助模拟供电电压，VCCIO33表示I/O口供电电压，上述端口作为所述电源模块2的各级电源输出端，分别与所述主控模块1中的相应结构连接。

数据采集模块3主要采集电源输出电流值，以电流采样为例，原理图如图4所示，首先将电流采样电阻31串联到被测负载回路中，由DC直流电源供电，然后用电流感测放大器33经由双通道模拟开关32测量电流采样电阻31两端电压，电流感测放大器33将电阻两端的电压放大一定倍数后将信号传递给运算放大器34，运算放大器34将信号进一步放大后传递给模数转换器35，模数转换器进一步将转换后的信号发送至主控模块1（即FPGA）其中，双通道模拟开关32与电流感测放大器33之间设有齐纳二极管、限流电阻和开关；齐纳二极管用作稳压；限流电阻用于限流；开关的型号优选为DG417，用于控制电路开断；电流感测放大器33的参考电压（Voltage Reference，VREF）端输入由一固定电压经Opa388型号的运算放大器处理得到的偏置电压；偏置电压使电流感测放大器33中的晶体管处于放大状态。

电流采样电阻31选择的型号是Y14730R00500B0R，该型号电阻的电阻值为5mΩ，四线制，温漂为5PPM，额定功率为3W，综合考虑成本因素，测量各个电流时都将使用该电阻，为尽量提高不同量级电流测量时的分辨力，会匹配不同放大倍数的电流感测放大器33。双通道模拟开关32选择的型号是MAX20327EWL+T_1A，该开关的导通电阻为0.2Ω，通道能承受-5.5V~12V的电压，可承受持续电流为-1.1A~1.1A，单电源供电。电流感测放大器33选择的型号为INA21X，通过输入偏置电压可使得该放大器能检测双向的电流。运算放大器34选择的型号是Opa388，该型号运算放大器34的失调电压为±0.25V，漂移为±0.005uV/℃，增益带宽为10MHz，单电源供电的范围是小于6V，双电源供电小于±3V。运算放大器34的作用是对电流感测放大器33输出的信号进行放大，通过更改各个电阻来调节运算放大器34电路的放大倍数。模数转换器35选择的型号为AD7616。

多模式设置的工作模式有：全速运行模式、深度睡眠模式、浅度睡眠模式、内部健康监测模式、外部健康监测模式和系统待机模式。硬件平台中各组成模块中，具有多种工作模式切换能力的模块主要包括：FPGA、数据采集模块。ZYNQ-7045 SoC中独特的时钟生成过程是本发明中采用DFS方法的多模式设计的基础，其各模块时钟的生成过程如图5所示，ZYNQ芯片内部各部分的时钟都是采用这种可编程操作，由I/O PLL、ARM PLL以及DDR PLL三者之一生成。具体地，时钟子系统产生的所有时钟都源自三个可编程的PLL锁相环之一，这三个PLL锁相环分别为：ARM PLL、DDR PLL和I/O PLL，时钟经过PLL后，直到PLL Lock信号后，输出到后级的选择器，其中，与ARM PLL和DDR PLL相连的第一选择器选择哪一路时钟作为系统CPU的时钟域，与第一选择器和I/O PLL相连的第二选择器选择哪个PLL出来的时钟作用到后级外设部分；每一路时钟都接6-bit可编程的分频器，按照具体的需要进行时钟分频，分别直接供给控制器，控制器由CPU、时钟域（Clock Domain）、DDR时钟域（DDR ClockDomain）、外设时钟域（Peropherals Clock Domain）和PL 端构成，每一路都有门控时钟（Clock Gating）即时钟门，来按照需要进行时钟的开启或者关闭的控制，以按需配置达到功耗的最佳。

可见，本发明可以有效地实现基于多模式的操作系统电源管理方法。通过引入系统多模式设置，提供了在系统正常工作模式下的其他模式，可以通过一些睡眠模式等减少模块负载，从而降低系统功耗，保证系统的简洁高效，在确保任务执行的前提下，最大限度减少功耗。

为了执行上述实施例中对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种嵌入式系统的电源管理系统，所述电源管理系统应用于嵌入式系统，所述嵌入式系统上设有若干个功耗监测点。如图6所示，所述电源管理系统包括：

指令获取模块601，用于获取模式切换指令。

模式确定模块602，用于根据所述模式切换指令确定目标模式；所述目标模式为全速运行模式、浅度睡眠模式、深度睡眠模式、内部健康监测模式、外部健康监测模式和系统待机模式中的任意一种。

状态切换模块603，用于根据所述目标模式，切换所述嵌入式系统的工作状态。

数据监测模块604，用于获取各所述功耗监测点的输出电压和输出电流。

功耗计算模块605，用于根据所述输出电压和所述输出电流计算所述嵌入式系统的功耗。

综上所述，本发明公开的嵌入式系统的电源管理方法及系统，对嵌入式系统进行了总体硬件架构设计，提出了多模式管理方案，可以根据系统需要调节自身功耗，有效的解决了嵌入式系统在长时间工作状态下功耗加大的问题，减少了不必要的损耗，提高了系统的可靠性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种嵌入式系统的电源管理方法，其特征在于，所述电源管理方法应用于嵌入式系统，所述嵌入式系统上设有若干个功耗监测点；所述电源管理方法包括：

获取模式切换指令；

根据所述模式切换指令确定目标模式；所述目标模式为全速运行模式、浅度睡眠模式、深度睡眠模式、内部健康监测模式、外部健康监测模式和系统待机模式中的任意一种；

根据所述目标模式，切换所述嵌入式系统的工作状态；

获取各所述功耗监测点的输出电压和输出电流；

根据所述输出电压和所述输出电流计算所述嵌入式系统的功耗；

所述嵌入式系统包括：主控模块、电源模块、数据采集模块和显示模块；所述数据采集模块包括：外部数据采集单元和内部数据采集单元；所述主控模块分别与所述电源模块、所述外部数据采集单元、所述内部数据采集单元和所述显示模块连接；所述内部数据采集单元与所述电源模块连接；所述外部数据采集单元与所述嵌入式系统的外接电源连接；所述电源模块的各级电源输出端均设有功耗监测点；所述电源模块和所述外接电源均用于为所述主控模块供电；

根据所述目标模式，切换所述嵌入式系统的工作状态，具体包括：

当所述目标模式为全速运行模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为正常工作状态，将所述主控模块切换为正常工作状态，以使所述电源模块处于正常功耗状态；

当所述目标模式为浅度睡眠模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为休眠状态，将所述主控模块切换为待使能状态，以使所述电源模块处于第一低功耗状态；所述电源模块在所述第一低功耗状态下的功耗小于在所述正常功耗状态下的功耗；

当所述目标模式为深度睡眠模式时，将所述显示模块切换为熄屏状态，将所述数据采集模块切换为休眠状态，将所述主控模块切换为待激活状态，以使所述电源模块处于第二低功耗状态；所述电源模块在所述第二低功耗状态下的功耗小于在所述第一低功耗状态下的功耗；

当所述目标模式为内部健康监测模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为内部数据采集单元工作状态，将所述主控模块切换为正常工作状态，以使所述电源模块处于正常功耗状态，并对所述内部数据采集单元进行故障诊断；

当所述目标模式为外部健康监测模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为外部数据采集单元工作状态，将所述主控模块切换为正常工作状态，以使所述电源模块处于正常功耗状态，并对所述外部数据采集单元进行故障诊断；

当所述目标模式为系统待机模式时，将所述显示模块切换为熄屏状态，将所述数据采集模块切换为休眠状态，将所述主控模块切换为休眠状态，以使所述电源模块处于静态功耗状态；所述电源模块在所述静态功耗状态下的功耗小于在所述第二低功耗状态下的功耗；

所述主控模块包括：处理系统和外设系统；所述处理系统包括：中央处理器、中断控制器、二级高速缓冲存储器、双倍速率同步动态随机存储器、锁相环控制器和监测控制单元；所述锁相环控制器包括：第一锁相环时钟控制器、第二锁相环时钟控制器和第三锁相环时钟控制器；

所述监测控制单元、所述中断控制器、所述二级高速缓冲存储器和所述双倍速率同步动态随机存储器分别与所述中央处理器连接；所述第一锁相环时钟控制器与所述中央处理器连接；所述第二锁相环时钟控制器与所述双倍速率同步动态随机存储器连接；所述第三锁相环时钟控制器与所述外设系统连接；

将所述主控模块切换为待使能状态，具体包括：

关闭所述中断控制器；

使能所述二级高速缓冲存储器的动态门控时钟；

将所述监测控制单元的工作模式设置为伴随模式；

停止所述中央处理器的高频开关电源时钟；

使能所述中央处理器的动态门控时钟；

将所述双倍速率同步动态随机存储器的工作模式设置为自刷新模式。

2.根据权利要求1所述的嵌入式系统的电源管理方法，其特征在于，将所述主控模块切换为待激活状态，具体包括：

关闭所述中断控制器；

使能所述二级高速缓冲存储器的动态门控时钟；

将所述监测控制单元的工作模式设置为伴随模式；

停止所述中央处理器的高频开关电源时钟；

使能所述中央处理器的动态门控时钟；

将所述双倍速率同步动态随机存储器的工作模式设置为自刷新模式；

将所述双倍速率同步动态随机存储器的时钟频率降低至第一设定时钟频率；

将所述中央处理器的时钟频率降低至第二设定时钟频率。

3.根据权利要求1所述的嵌入式系统的电源管理方法，其特征在于，将所述主控模块切换为休眠状态，具体包括：

关闭所述中断控制器；

使能所述二级高速缓冲存储器的动态门控时钟；

将所述监测控制单元的工作模式设置为伴随模式；

停止所述中央处理器的高频开关电源时钟；

使能所述中央处理器的动态门控时钟；

将所述双倍速率同步动态随机存储器的工作模式设置为自刷新模式；

采用所述第一锁相环时钟控制器将所述中央处理器的锁相环频率设置为第一设定锁相环频率；

采用所述第二锁相环时钟控制器将所述双倍速率同步动态随机存储器的锁相环频率设置为第二设定锁相环频率；

采用所述第三锁相环时钟控制器将所述外设系统的锁相环频率设置为第三设定锁相环频率；

配置所述中央处理器的时钟分频，使所述中央处理器中的ARM时钟寄存器频率降低至设定寄存器频率；

将所述中央处理器的工作模式设置为中断唤醒模式或事件唤醒模式。

4.根据权利要求2所述的嵌入式系统的电源管理方法，其特征在于，所述第一设定时钟频率为100MHz，所述第二设定时钟频率为100MHz。

5.根据权利要求3所述的嵌入式系统的电源管理方法，其特征在于，所述第一设定锁相环频率为100MHz，所述第二设定锁相环频率为100MHz，所述第三设定锁相环频率为50MHz，所述设定寄存器频率为100MHz。

6.一种嵌入式系统的电源管理系统，其特征在于，所述电源管理系统应用于嵌入式系统，所述嵌入式系统上设有若干个功耗监测点；所述电源管理系统包括：

指令获取模块，用于获取模式切换指令；

模式确定模块，用于根据所述模式切换指令确定目标模式；所述目标模式为全速运行模式、浅度睡眠模式、深度睡眠模式、内部健康监测模式、外部健康监测模式和系统待机模式中的任意一种；

状态切换模块，用于根据所述目标模式，切换所述嵌入式系统的工作状态；

数据监测模块，用于获取各所述功耗监测点的输出电压和输出电流；

功耗计算模块，用于根据所述输出电压和所述输出电流计算所述嵌入式系统的功耗；

所述嵌入式系统包括：主控模块、电源模块、数据采集模块和显示模块；所述数据采集模块包括：外部数据采集单元和内部数据采集单元；所述主控模块分别与所述电源模块、所述外部数据采集单元、所述内部数据采集单元和所述显示模块连接；所述内部数据采集单元与所述电源模块连接；所述外部数据采集单元与所述嵌入式系统的外接电源连接；所述电源模块的各级电源输出端均设有功耗监测点；所述电源模块和所述外接电源均用于为所述主控模块供电；

根据所述目标模式，切换所述嵌入式系统的工作状态，具体包括：

当所述目标模式为全速运行模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为正常工作状态，将所述主控模块切换为正常工作状态，以使所述电源模块处于正常功耗状态；

当所述目标模式为浅度睡眠模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为休眠状态，将所述主控模块切换为待使能状态，以使所述电源模块处于第一低功耗状态；所述电源模块在所述第一低功耗状态下的功耗小于在所述正常功耗状态下的功耗；

当所述目标模式为深度睡眠模式时，将所述显示模块切换为熄屏状态，将所述数据采集模块切换为休眠状态，将所述主控模块切换为待激活状态，以使所述电源模块处于第二低功耗状态；所述电源模块在所述第二低功耗状态下的功耗小于在所述第一低功耗状态下的功耗；

当所述目标模式为内部健康监测模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为内部数据采集单元工作状态，将所述主控模块切换为正常工作状态，以使所述电源模块处于正常功耗状态，并对所述内部数据采集单元进行故障诊断；

当所述目标模式为外部健康监测模式时，将所述显示模块切换为显示状态，将所述数据采集模块切换为外部数据采集单元工作状态，将所述主控模块切换为正常工作状态，以使所述电源模块处于正常功耗状态，并对所述外部数据采集单元进行故障诊断；

当所述目标模式为系统待机模式时，将所述显示模块切换为熄屏状态，将所述数据采集模块切换为休眠状态，将所述主控模块切换为休眠状态，以使所述电源模块处于静态功耗状态；所述电源模块在所述静态功耗状态下的功耗小于在所述第二低功耗状态下的功耗；

所述主控模块包括：处理系统和外设系统；所述处理系统包括：中央处理器、中断控制器、二级高速缓冲存储器、双倍速率同步动态随机存储器、锁相环控制器和监测控制单元；所述锁相环控制器包括：第一锁相环时钟控制器、第二锁相环时钟控制器和第三锁相环时钟控制器；

所述监测控制单元、所述中断控制器、所述二级高速缓冲存储器和所述双倍速率同步动态随机存储器分别与所述中央处理器连接；所述第一锁相环时钟控制器与所述中央处理器连接；所述第二锁相环时钟控制器与所述双倍速率同步动态随机存储器连接；所述第三锁相环时钟控制器与所述外设系统连接；

将所述主控模块切换为待使能状态，具体包括：

关闭所述中断控制器；

使能所述二级高速缓冲存储器的动态门控时钟；

将所述监测控制单元的工作模式设置为伴随模式；

停止所述中央处理器的高频开关电源时钟；

使能所述中央处理器的动态门控时钟；

将所述双倍速率同步动态随机存储器的工作模式设置为自刷新模式。

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