《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于嵌入式系統(tǒng)的RFID手持機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要: 摘要:RFID手持設(shè)備對電源的效率,、使用壽命,、可靠性,、體積,、成本等方面有較高的要求,。因此,,設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定性好,、...
Abstract:
Key words :

關(guān)鍵字:嵌入式系統(tǒng) RFID手持機(jī)

  RFID 手持機(jī)在交通運(yùn)輸,、門禁,、物流,、考勤、貨物管理,、身份識(shí)別等方面有著十分廣泛的應(yīng)用,。RFID 手持設(shè)備對電源的效率、使用壽命,、可靠性,、體積、成本等方面有較高的要求,。因此,,設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定性好、效率高,、雜散小的電源對于RFID 手持機(jī)有著十分重要的意義,。
  
  1 RFID 手持機(jī)硬件結(jié)構(gòu)
  
  在基于嵌入式系統(tǒng)的RFID 手持機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,以微處理器LPC2142 為主控制器,,根據(jù)系統(tǒng)的需求外擴(kuò)了SRAM,、Flash、SD 卡,、鍵盤,、LCD 顯示、聲響提示進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、人機(jī)交互以及出錯(cuò)報(bào)警提示,通過USB 接口可以與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,,背光模塊可以為LCD 和鍵盤提供背光,,電壓檢測模塊通過核心處理器的A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電池電壓的檢測,從而間接檢測出電池的剩余電量,,RF 模塊能夠進(jìn)行讀寫器與標(biāo)簽之間射頻信號(hào)的收發(fā),,通過JTAG 接口可以進(jìn)行程序的調(diào)試與下載,。電源部分可以為系統(tǒng)中需要電源的各個(gè)模塊提供電源,這是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容,。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示,。

  2 需求電源的指標(biāo)

  經(jīng)設(shè)計(jì)并計(jì)算,該系統(tǒng)需要兩種電壓的電源,,一路是3. 3 V 的,,為鍵盤、LCD 復(fù)位電路,、所外擴(kuò)的存儲(chǔ)器,、RF 模塊供電; 另一路是5 V 的,,為系統(tǒng)的聲響提示電路以及鍵盤和LCD 的背光電路提供電源,。為方便攜帶,系統(tǒng)采用電池供電,,欲達(dá)到性能指標(biāo)如下:

 ?。?nbsp;1) 電源轉(zhuǎn)化效率≥80 %;
  ( 2) 輸出電流要求: 3. 3 V 輸出電流500 mA; 5 V輸出電流300 mA;
 ?。?nbsp;3) 兩路電源電壓的波動(dòng)均控制在± 5 %以內(nèi),;
  ( 4) 可以通過USB 輸入對電池進(jìn)行充電,。
  
  3 各種電源芯片的特點(diǎn)及選型注意事項(xiàng)

  3. 1 各種電源芯片 
 
  3. 2 選型注意事項(xiàng) 
 
  首先,,必須要正確選擇電源芯片類型。要明確輸入電壓和所需要的輸出電壓,,進(jìn)而確定是升壓,、降壓還是升/降壓。特別要注意的是,,普通線性穩(wěn)壓器,、LDO和Buck( 或Step-down) 型DC-DC 只能降壓,不能升壓,,Boost( 或Step-up) 型DC-DC 只能升壓不能降壓,。

  強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)的原因是,一些芯片( LDO 或者降壓型DC-DC) 的手冊給出的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍都很寬,,很容易誤導(dǎo)沒有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者,。手冊中的輸出電壓范圍,很多都是針對給出的輸入電壓范圍的,,對于特定的輸入電壓,,在很多情況下,實(shí)際的輸出是達(dá)不到給出的輸出電壓的,。這一點(diǎn)十分關(guān)鍵,,決定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗,應(yīng)引起高度重視,。

  其次,,手持設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中,要注意芯片的靜態(tài)電流,,這一點(diǎn)對系統(tǒng)的待機(jī)時(shí)間影響很大,,好的電源芯片的靜態(tài)電流在μA 級(jí),較差的芯片在mA 級(jí),,相差上千倍,,靜態(tài)電流越小,電池的電能耗散就越少,,壽命就越長,。

  再次,注意要從實(shí)際的負(fù)載來考察效率,。電源效率與輸出電流是密切相關(guān)的,,當(dāng)輸出電流很小或很大時(shí),效率都會(huì)變得較差,,需要根據(jù)需要的電流來選擇電源芯片,,以達(dá)到效率最大化。

  4 方案選擇及芯片選型

  4. 1 方案選擇

  方案1: 3. 3 V 輸出采用LDO,,5V 輸出采用電荷泵,。

  方案2: 3. 3 V 輸出采用Buck /Boost 型DC-DC,5V 輸出采用升壓型DC-DC,。

  由于鋰離子電池的電壓范圍變化較寬,,在2. 5V ~ 4. 2 V( 4. 2 V 是滿充可以達(dá)到的電壓) 之間都應(yīng)該有正常的電源輸出電壓,如果采用3. 3 V 輸出的LDO,,由于要滿足輸入輸出的最小壓差的要求,,當(dāng)電池電壓降到3. 4 V 左右時(shí),電源可能達(dá)不到輸出3. 3 V 電壓了,。采用電荷泵輸出5 V,,當(dāng)輸入輸出電壓比較接近時(shí)電荷泵的效率不會(huì)很高。采用第二種方案可以最大限度地提高電源轉(zhuǎn)化效率,,延長電池的使用時(shí)間,。

  綜合考慮以上的比較,選擇第二種方案,。

  4. 2 芯片選型

  通過查詢,,決定采用TI 的兩個(gè)芯片TPS63031 和TPS61240 分別作為3. 3 V 輸出和5 V 輸出的電壓轉(zhuǎn)換芯片,TPS63031 在輸入電壓在2. 4 ~ 5. 5 V 范圍內(nèi),,通過升壓或者降壓工作模式輸出高達(dá)800 mA 的電流,,在節(jié)能模式下,,當(dāng)輸出電流在100 ~ 500 mA 之間變化時(shí),效率均在80 % 以上,。TPS61240 是可以工作在3. 5 MHz 的升壓DC-DC,,輸出電流可以達(dá)到450mA,具有PFM/PWM 工作模式,,當(dāng)負(fù)載電流在200 mA左右時(shí),,可以在電池的電壓范圍內(nèi)提供80 %以上的效率。

  由于微處理器對電源紋波要求較高,,所以在3. 3V 輸出的后邊增加了一個(gè)LDO,,以濾除DC-DC 輸出較大的紋波,提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度,。由于要滿足壓差和處理器可靠工作電壓的要求,,選輸出電壓比3. 3V 低的TPS78320,可以輸出3. 2 V 電壓,,最大可以輸出150 mA 的電流,,這個(gè)電壓滿足微處理器LPC2142可靠工作電源電壓范圍和電流需求。

  此外,,該LDO 的靜態(tài)電流僅為500 nA,,這正符合電池供電的手持系統(tǒng)節(jié)能的要求。

  5  調(diào)試
 
  5. 1 調(diào)試步驟
  按照原理圖上的參數(shù)在印制電路板上焊接好元器件之后,,仔細(xì)檢查元器件的取值,、焊接方向、元器件的極性是否焊接正確,,用萬用表仔細(xì)檢測元器件的焊接是否存在虛焊,,靠得比較近的元器件是否存在不應(yīng)該存在的短路現(xiàn)象。

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