[优秀嵌入式毕业设计]手持嵌入式设备节能设计研究与实现.doc

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1、论文手持嵌入式设备节能设计研究与实现姓 名：xxx 申请学位级别：硕士 专 业：计算机软件理论指 导 教 师：xxx 研究员2009年3月20日手持嵌入式设备节能设计研究与实现摘 要随着嵌入式系统的应用越来越广泛，以及各种嵌入式应用的功能越来越强大，在满足嵌入式系统的便携性和实用性的前提下，电池技术的发展远远落后于嵌入式系统硬件平台的发展。在有限的空间内为越来越丰富的嵌入式产品的功能提供能量，除了研究能量更紧密的新型电池之外，电源管理是增加嵌入式产品中电池供电时间的另一种有效途径。而且从解决功能集成和体积缩小所带来的散热及系统稳定问题来看，电源管理技术也是非常必要的。目前电源管理技术已经成为一

2、种必然趋势，电源管理在嵌入式系统中的应用也越来越普及，甚至对电源管理技术的应用情况成为了衡量一个产品优劣的重要标准。国际上将电源管理分为静态电源管理SPM（Static Power Management）和动态电源管理DPM（Dynamic Power Management）两种类型。其中SPM是指在设计阶段如综合和编译的时候采用的降低功耗的手段，其对象包括软件和硬件两个方面。而DPM是在系统运行的时候，出现系统负载不重甚至系统空闲的情况下降低系统功耗的方法，主要依靠软件来实现。条形码是为了便于自动识别，利用条码表示信息的一种技术。条码技术的主要内容就是如何将信息用条码来表示，然后再由机器对其

3、进行自动识别。PDT300就是一种识别条形码中所含信息的手持嵌入式设备，可识别多种码制下的条形码。由于面向便携式应用，为了让使用电池供电的系统能有更长的工作时间，特别引入了电源管理的一些技术。在硬件电路图设计和软件架构中，都涉及到了电源管理方面的一些技巧。文中对该设备中应用的电源管理方面的设计进行了描述。最后，对应用电源管理技术所达成的效果进行了验证。当然，由于经验问题，里面肯定有缺陷和不足之处，留待以后改进。关键词：嵌入式系统；电源管理；条码识别 Research and Realization of Power-Saving Design of Handheld Embedded Syst

4、emsABSTRACTAs the utilization of embedded systems is increasingly spread, and functions of various embedded applications are more and more powerful, under the constraint of fulfilling the portability and practicability of embedded systems, the progress of battery technology is far behind that of emb

5、edded system hardware platform. To supply energy within limited space for increasing and various functions of embedded commodity, power management is another approach to increase battery lifetime of embedded commodity besides researching new battery with more compact energy. Furthermore, power manag

6、ement is necessary from the aspect of resolving heat dissipation and system stabilization problems raised from function integration and volume reduction.Power management technology has becoming an inevitable trend so far, and the utilization of power management in embedded systems is much more popul

7、ar, even how is power management applied inside has became an important criteria to judge whether a commodity is good or not. Power management can be classified into SPM (Static Power Management) and DPM (Dynamic Power Management). SPM techniques, such as synthesis and compilation for low power, are

8、 applied at design time (off-line) and target both hardware and software. In contrast, dynamic techniques use runtime (on-line) behavior to reduce power when systems are serving light workloads or are idle.The invention of barcode is to express information by code bars for the convenience of automat

9、ic identification. What barcode technique study is how to signify information with code bar, and then how to identify the information conceived in code bars by machine automatically. PDT300 is a kind of handheld embedded device used to identify the information conceived in code bars. It can identify

10、 code bars under several kinds of barcode standards. Facing PDT300 to portable applications, we have introduced power management technique in it so as to extend working hours of battery-powered systems. Some techniques of power management are involved in both hardware circuit design and software arc

11、hitecture. This paper describes design methods of power management skills used in PDT300.Finally, I validated the achievement of applying power management technique. Of course, there are limitations and shortages in the design. Those deficiencies can be improved by further study.Key words: embedded

12、system; power management; barcode identification; DPM代号及缩写：PM 电源管理，Power ManagementDPM 动态电源管理， Dynamic Power ManagementSPM 静态电源管理， Static Power ManagementGALS 全局异步本地同步，Globally Asynchronous Locally SynchronousDVFS 动态电压频率调整，Dynamic Voltage/Frequency Scaling图目录：图1-1 早期条码符号6图1-2 EAN128码示例7图1-3 条码识别系统8图

13、2-1 系统硬件体系结构的一般模板12图2-2 核心部分的计算和互斥的运用13图2-3 基于处理器的可变电压体系结构14图2-4 一般分层内存模型15图2-5 带片上缓存和片下DRAM的四级分层内存模型15图2-6 通信协议栈17图2-7 软件编译器的主要工作18图2-8 采用Timeout策略时的系统能耗图20图2-9 动态电源管理的Markov模型23图3-1 PDT300硬件体系结构图25图3-2 LPC2210结构框图26图3-3 激光扫描模块27图3-4 红外电路模块28图3-5 HDT300软件架构图29图4-1具有电池电量和低电压检测的电源模块电路图33图4-2 背光开关状态的转

14、换34目录序言- 1 -1课题研究背景- 1 -2课题主要研究工作- 2 -3论文的主要内容- 2 -第一章 概述- 3 -1.1 嵌入式系统概述- 3 -1.1.1 嵌入式系统的特点- 3 -1.1.2 嵌入式系统发展历程- 3 -1.1.3 嵌入式系统的构成- 4 -1.2. 条码技术的起源及发展现状- 5 -1.2.1 条码技术的起源- 5 -1.2.2 条码技术的现状- 7 -1.2.3 条码技术在我国的发展- 8 -1.2.4 条码识别技术的原理- 8 -1.3 本章小结- 9 -第二章 电源管理技术综述- 10 -2.1 静态节能技术综述- 11 -2.1.1 计算单元的综合- 1

15、2 -2.1.2 内存子系统设计- 15 -2.1.3 通信资源的设计- 16 -2.1.4 软件分析和编译- 17 -2.2 动态节能技术概述- 19 -2.2.1 动态电源管理的原理- 19 -2.2.2 动态电源管理技术- 20 -2.3 本章小结- 24 -第三章 PDT300平台简介- 25 -3.1 硬件开发环境- 25 -3.1.1 硬件平台构成- 25 -3.1.2 LPC2210处理器简介- 25 -3.1.3 其他主要模块简介- 27 -3.2 软件平台- 28 -第四章 PDT300节能部分设计- 30 -4.1 动态电源管理方面的设计- 30 -4.2 硬件方面的低功耗

16、设计- 32 -4.3 本章小结- 34 -第五章 总结与展望- 35 -参考文献：- 36 -序言1课题研究背景和机械系统的设计相似，电子系统的设计目标也是从仅仅实现功能、追求高的性能，再由于对能源的依赖追求节能性的提高。当前，由于嵌入式系统的大量普及应用，以及硬件技术的高度发展，越来越多的便携设备如掌上电脑和智能手机等，在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。移动手持设备在近几年内发展迅速，在市场中占有的份额也越来越大。与此同时，出于对方便性和舒适性的追求，各种应用集成了越来越多的功能。这样，随着硬件速度和性能以及芯片集成度的提高，嵌入式系统所需要的能量和产生的热量都有大幅度的增长。出于

17、便携性的考虑，很大一部分嵌入式设备设计为电池供电的。而电池的续航能力的提高远远落后于嵌入式硬件技术的发展。在其他部分都高度集成的情况下，电池的体积在嵌入式应用中所占的比例越来越大，而在目前追求产品小型化的背景中，要求电池的体积又不能太大以至于令产品太过臃肿。系统功能和性能的不断提高使得供电变得捉襟见肘。而硬件高度集成的另一个后果是散热问题的出现。产品的温度过高，体现在大多随身使用的便携式产品上，首先就是使用上的不舒适，而且还容易引起软硬件错误，甚至出现故障或者损坏。因此，从经济上、逻辑上甚或是生态上考虑，低功耗设计已经受到越来越多的关注，电源管理问题也成为嵌入式设备的一个亟待解决的问题。总结起

18、来，节能设计的必要性体现在如下几点：现在越来越多的手持设备使用电池作为常用电源，而电池容量相对有限，进行节能设计可以延长系统的可持续使用时间。半导体工业的迅速发展使得系统及程度和时钟频率得到了显著提高，但IC元器件运算能力的爆发性增加必然地导致了系统功耗的急剧上升，从而带来了热量释放的问题，而且给设备的封装费用造成了负面影响。进行节能设计从而可以降低整个系统的设计和生产成本。电池技术的发展速度严重滞后于系统能耗需求的增长速度：在最近30年中电池容量只增长了48倍，而这一期间数字IC的运算能量增长了超过4个数量级。采用节能技术可以弥补电池技术发展的不足。绿色电器理念越来越深入人心，逐渐成为市场消

19、费的焦点。在保持高性能的同时，低功耗的嵌入式设备更容易得到用户的认可。人们对环境问题和自身安全的关心程度越来越高。系统功耗越大，外围环境所受到的辐射或电磁干扰就越严重。而采用节能技术可有效缓解这一问题。能量价格上浮等因素也从另一个方面体现了降低系统功耗的必要性。目前的嵌入式系统设计的目标正处在从追求性能到追求节能的转变点上。电源管理技术首先开始于笔记本电脑。在笔记本电脑由电池供电的时期，电源管理就显得尤为必要。电池供电能力的限制使得工程师们设法延长电池的使用时间，从而催生了电源管理技术的研究。后来，随着嵌入式硬件的飞速发展，由于前面所述电池技术的滞后发展，能量问题在各种嵌入式设备的设计中所占的

20、地位越来越高，嵌入式系统的电源管理技术得到了系统研究。但由于嵌入式系统的多样性，电源管理技术和具体嵌入式应用的结合仍然有待研究。2课题主要研究工作本课题研究便携式嵌入式设备的电源管理方案，基于的硬件平台为一款手持式条形码识别设备PDT300。PDT300的微处理器为32位精简指令处理器LPC2220，操作系统采用了海尔软件公司研发的嵌入式操作系统HQOS。本课题的具体研究工作如下：1了解电源管理技术的国内外发展现状，理解电源管理领域的相关技术，对本课题的电源管理研究进行定位。2. 根据对电源管理技术的研究，在静态电源管理和动态电源管理两方面针对条形码识别设备PDT300进行分析和实现。3. 对

21、实现的系统进行评测，分析取得的效果和存在的不足，并对以后的改进提出初步设想。3论文的主要内容论文的主要内容如下安排：第一章为“概述”，简单介绍了嵌入式系统和条码技术的一些基本情况，阐述了一些相关的基本概念。第二章为“电源管理技术综述”，介绍并分析了目前一些静态及动态电源管理方面的策略和技术。第三章为“PDT300平台简介”，简要介绍了作为本课题电源管理实现平台的手持小马识别设备PDT300的软、硬件架构。第四章为“PDT300节能部分设计”，着重介绍了本课题进行的具体工作。第五章为“总结与展望”，对全文做出小结，分析了工作的不足之处，并对未来工作进行了展望。第一章 概述1.1 嵌入式系统概述嵌

22、入式系统的定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机软件技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式计算机的外部设备中就包含了多个嵌入式微处理器，如键盘、硬盘、显示器、网卡、声卡等均是由嵌入式处理器控制的。现在，嵌入式计算机不仅在民品上而且在军事装备上也得到了广泛地应用。1.1.1 嵌入式系统的特点嵌入式系统具有以下特点：1. 嵌入式系统的软、硬件具有裁剪性；满足对象要求的最小软

23、、硬件配置等。2. 嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好。操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性。3. 嵌入式系统便利灵活、性能价格比高、嵌入性强，可以嵌入到现有任何信息家电和工业控制系统中。4. 嵌入式系统体积小、集成度高，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化。5. 嵌入式系统的设计基本上是针对特定的应用的，因此相对传统PC软件，其软件的移植性较差。1.1.2 嵌入式系统发展历程嵌入式系统至今已经有30多年的历史了，其技术的发展大致分为以下四个阶段：第一阶段是是以单芯片可编程控制器为核心的系统，同时配置监

24、测、伺服、指示设备等功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编写的程序对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。第二阶段以嵌入式CPU为基础，以简单操作系统为核心。这一阶段系统的主要特点是：CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业

25、，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。第三阶段是以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：支持不同类型的CPU，兼容性好；操作系统内核精练，效率高，并提供大量应用程序接口API，使得上层应用程序开发简单；模块化程度较高，具有较好的可移植性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；嵌入式应用软件丰富。第四阶段是以联网为核心，以因特网为标志，是一个正在迅速发展的阶段。然而目前大多数嵌入式系统还孤立在网络之外，但随着网络技术的发展以及新兴的数字家电、工业控制等技术的发展，嵌入式系统与网络结合代表着嵌入式系统的真正未来

26、。目前，随着系统集成技术和无线通信技术的快速发展，嵌入式系统的应用已经日趋网络化。尤其是无线通信系统中，人们对嵌入式设备提出了更高的要求：除了提供基本的语音、数据通信等基本功能外，还需要复杂的多媒体应用。这就要求嵌入式系统在满足必要的实时性前提下，提供更高的计算性能和大容量的存储空间；在这些系统一般都带有电池部件并通过它向整个系统供电。满足高性能要求的代价是更大的能量消耗，这就必须缩短电池的供电时间。大量研究证明，系统处于空闲的时间占整个运行时间的相当大一部分。电源管理就是为了减少系统在空闲时间的能量消耗，使嵌入式系统的有效能量供给率最大化，从而延长电池的供电时间。1.1.3 嵌入式系统的构成

27、一般来说，嵌入式系统主要指由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统和应用软件系统组成，集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8位的8051体系的微处理器占有多半。嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到16MB，处理速度从0.1 MIPS到2000 MIPS。为了满足日益高速增长的各类嵌入式系统设计的需求，CPU厂商设计了许多兼有16/32位的微处理器并集成了许多外围功能的CPU。嵌入式处理器虽然在功能上和标准处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可

28、靠性等方面一般都做了各种增强。其中最大的不同就是嵌入式处理器多数工作在用户自己设计的系统中，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。嵌入式处理器目前主要有AM186/88、386EX、se-400、PowerPe、ColdFire、68000、MIPs、ARM系列等。嵌入式操作系统一般装在处理器的内存中，是嵌入式系统中极为重要的组成部分，是嵌入式应用软件的基础和开发平台。嵌入式操作系统一般可分为如下几个层次：与硬件相关的底层软件、操作系统核心、图形界面、通信协议、标准化浏览器以及应用软件。嵌入式RTOS(实时操作系统)是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其他应用程序都建立在嵌入式RTOS上。嵌入式R

29、TOS也是一个可靠和可信性很高的实时内核，将CPU、中断、FO、定时器等资源都包装起来留给用户一个标准的API，并根据各个任务的优先级，合理地在不同的任务之间分配CPU时间。在嵌入式RTOS的基础上可以编写出各种硬件驱动程序、库函数，和通用性的应用程序在一起，因此嵌入式RTOS又是一个软件开发平台。目前比较流行的实时多任务操作系统有3COM公司的Palm OS、微软公司的WindowsCE、ISI (Integrated Systems Inc.)公司的pSOS、WindRiver公司的VxWorks、QSSL公司的QNX以及开放源码的Linux等等。而目前最常用的则是WindowsCE和Li

30、nux。1.2. 条码技术的起源及发展现状条码技术主要研究如何将信息用条码来表示，以及如何将条码所表示的数据转换为计算机可识别的数据。条码技术是目前应用最广的一种自动识别技术。随着计算机、信息及通讯技术的发展，信息的处理能力、储存能力、传输通讯能力日益强大。全面、有效的信息采集和输入几乎成为所有信息系统的关键。条码自动识别技术就是在这样的环境下应运而生。它是在计算机、光电技术和通信技术的基础上发展起来的一门综合性科学技术，是信息采集、输入的重要方法和手段。1.2.1 条码技术的起源条码最早出现于上世纪40年代，但得到实际应用和迅速发展还是在近20年。欧美、日本等国家已普遍使用条码技术，而且正在

31、世界各地迅速推广普及，其应用领域正在不断扩大。在40年代后期，美国乔伍德兰德(Joe Wood Land)和贝尼西尔佛(Beny Silver)两位工程师就开始研究用代码表示食品项目以及相应的自动识别设备，并于1949年获得了美国专利。这种代码图案如图1-1右上图所示。该图案很像微型射箭靶，称作“公牛眼”代码。靶的同心环由圆条和空白绘成。在原理上，“公牛眼”代码与后来的条码符号很接近，遗憾的是当时的商品经济还不十分发达，而且工艺上也没有达到印制这种代码的水平。然而，20年后，乔伍德兰德作为IBM公司的工程师成为北美地区的统一代码UPC条码的奠基人。吉拉德费伊塞尔(Girad Feissel)等

32、人于1959年申请了一项专利，将数字09中的每个数字用七段平行条表示。但是这种代码机器难以阅读，人读起来也不方便。不过，这一构想促进了条码码制的产生与发展。不久，E. F. 布林克尔 (E. F. Brinker) 将条码标识应用在有轨电车上。60年代后期，西尔韦尼亚(Sylvania)发明了一种被北美铁路系统所采纳的条码系统。这两项发明可以说是条码技术最早期的应用。图1-1 早期条码符号1970年美国超级市场AdHoc委员会制定了通用商品代码UPC码(Universal Product Code)，此后许多团体也提出了各种条码符号方案，如图1-1右下及左边部分所示。UPC码首先在杂货零售业中

33、试用，这为以后该码制的广泛采用奠定了基础。次年，布莱西公司研制出“布莱西码”及相应的自动识别系统，用于库存验算。这是条码技术第一次在仓库管理系统中应用。1972年，莫那奇马金(Monarch Marking)等人研制出库德巴码(Codabar)，至此美国的条码技术进入了新的发展阶段。美国统一代码委员会( Uniform Code Council Inc 简称UCC)于1973年建立了UPC条码系统，并全面实现了该条码编码以及其所标识的商品编码的标准化。同年，食品杂货业把UPC码作为该行业的通用标准码制，为条码技术在商业流通销售领域里的广泛应用，起到了积极的推动作用。1974年，Intermec

34、公司的戴维阿利尔(Davide Allair)博士推出39码，很快被美国国防部所采纳，作为军用条码码制。39码是第一个字母、数字式的条码，后来广泛应用于工业领域。1976年美国和加拿大在超级市场上成功地使用了UPC系统，这给人们以很大的鼓舞，尤其是欧洲人对此产生了很大的兴趣。次年，欧洲共同体在UPC条码的基础上，开发出与UPC码兼容的欧洲物品编码系统(European Article Numbering System )，简称EAN码，并签署了欧洲物品编码协议备忘录，正式成立了欧洲物品编码协会(European Article Numbering Association)，简称EAN。直到19

35、81年，由于EAN组织已发展成为一个国际性组织，被称为“国际物品编码协会”(International Article Numbering Association)，一般来讲应简称IAN，但由于历史和习惯，该组织至今仍延用EAN作为其组织的简称。80年代，人们开发出了密度更高的一些一维条码，如EAN128码和93码（这两种码的符号密度均比39码高将近30%）。同时，一些行业纷纷选择条码符号，建立行业标准和本行业内的条码应用系统。在这以后，二维条码开始出现。戴维阿利尔研制出49码。特德威廉斯(Ted Williams)于1988年推出16K码，Symbol公司推出PDF417码。二维条码的出现使

36、得条码的作用从只能充当便于机器识读的物品代码扩展到能携带一定量信息的数据包，这就使得系统能够通过条码对信息包实现自动识别和数据采集。在某些场合下，二维条码由于其方便、价廉、快捷的特点，在信息识别和数据采集方面有着无可比拟的优势。图 1-2 EAN128码示例1.2.2 条码技术的现状条码技术应用最广泛、也最为人们所熟悉的领域还是通用商品流通销售中的POS系统，国外通称为销售终端。在北美、欧洲各国和日本，POS系统普及率已达95以上。美国和加拿大截止2000年12月31日条码系统成员已超过200,000家，条码自动扫描商店(POS)覆盖了全部批发、零售企业，流通领域电子数据交换(EANCOM)用

37、户已超过30,000家。法国到2000年为止条码系统成员达到24,314家，批发、零售商店全部实现了POS化，EANCOM用户一万多家。日本截止1996年底条码系统成员达到125,700家，POS系统覆盖了全部批发、零售企业。截止2000年12月31日，EAN 会员已遍及六大洲的60多个国家和地区。全世界已有650,000多个公司成为 EAN 组织的成员，加上美国统一代码委员会(UCC)系统已经超过200,000个公司，则全世界共有850,000多个公司使用条码，在商业贸易中从现代的信息技术获得巨大的利益。EAN的建立，不仅为建立全球性统一的物品标识体系提供了组织保障，同时，促进了条码技术在各

38、个领域的应用。现在条码技术已渗透到商业、管理、邮电、公交等计算机应用的各个领域。国际物品编码协会(EAN)与美国统一代码委员会(UCC)的进一步合作，更加促进了条码技术的发展。条码技术的迅速发展推动了一个新的产业的诞生，即在国际上形成了自动识别技术及设备产业。在各个经济发达国家的推动下，八十年代中期成立了国际自动识别制造商协会。它的目标是建立一个由制造商和供应商参加的协作团体，以形成尽可能广阔的自动识别设备生产、供应系统，及有关服务有效市场。它的任务是支持、推动和促进自动识别技术装备产业的发展，编撰与发行有关的信文件，传递自动识别技术发展和市场信息，促进会员组织之间的合作与交流，在非盈利的基础

39、上，致力于合法的专业活动，目前己有三十多个会员组织。一些经济发达的国家也相继成立了本国的自动识别制造商协会，有力地推动了条码自动识别技术产业的迅速发展。如今在世界各国从事条码技术及其系列产品的开发研究、生产经营的厂商上万家，开发经营的产品数万种，成为具有相当规模的新兴高技术产业。1.2.3 条码技术在我国的发展我国条码技术的研究始于70年代。当时的主要工作是学习和跟踪世界先进技术。随着计算机应用技术的普及，80年代末，条码技术在我国的邮电、仓储、图书管理及生产过程的自动控制等领域开始得到初步运用。1991年4月，中国物品编码中心代表我国加入国际物品编码协会 EAN，为全面开展我国条码工作创造了

40、有利条件。中国商品条码系统成员数量近年来迅速增加，截止到2001年12月31日，我国已有12万家企业申请注册了厂商代码，已有扫描商店上万家。据统计我国已有67%的商店都已经应用上了POS系统。目前，条码技术已广泛应用于我国国民经济的众多领域。1.2.4 条码识别技术的原理为了阅读出条码所代表的信息，需要一套条码识别系统，它由条码扫描器、放大整形电路、译码接口电路和计算机系统等部分组成。基本结构如图1-3所示。图1-3 条码识别系统由于不同颜色的物体，其反射的可见光的波长不同，白色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体则吸收各种波长的可见光，所以当条形码扫描器光源发出的光经光阑及凸透镜1后，照射到

41、黑白相间的条形码上时，反射光经凸透镜2聚焦后，照射到光电转换器上，于是光电转换器接收到与白条和黑条相应的强弱不同的反射光信号，并转换成相应的电信号输出到放大整形电路。白条、黑条的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同但是，由光电转换器输出的与条形码的条和空相应的电信号一般仅10 mV左右，不能直接使用，因而先要将光电转换器输出的电信号送放大器放大放大后的电信号仍然是一个模拟电信号，为了避免由条形码中的疵点和污点导致错误信号，在放大电路后需加一整形电路，把模拟信号转换成数字电信号，以便计算机系统能准确判读。整形电路的脉冲数字信号经译码器译成数字、字符信息它通过识别起始、终止字符来判别出条形码符

42、号的码制及扫描方向；通过测量脉冲数字电信号0、1的数目来判别出条和空的数目。通过测量0、1信号持续的时间来判别条和空的宽度这样便得到了被辩读的条形码符号的条和空的数目及相应的宽度和所用码制，根据码制所对应的编码规则，便可将条形符号换成相应的数字、字符信息，通过接口电路送给计算机系统进行数据处理与管理，便完成了条形码辨读的全过程。1.3 本章小结本章简单介绍了嵌入式系统和条码识别技术的一些基本概念，为后面的软硬件设计选择做了铺垫。第二章 电源管理技术综述随着嵌入式技术的广泛应用，越来越多的便携式设备，如手机、PDA（Personal Digital Assistant）、MP3等，在人们的日常生

43、活中扮演着越来越重要的角色，销售量快速增长，花样也不断翻新。嵌入式系统的概念虽不为大部分人所知，应用嵌入式系统的产品却已经走进了普通大众的身边。而便携式设备的发展趋势是尺寸越来越小、功能越来越多、甚至可编程，变的越来越灵活。例如，很多手机不只是能够打电话，还能够听音乐、拍照片、摄像等。用户甚至可以通过扩展软、硬件来扩展设备的功能，例如Palm Pilot提供硬件扩展槽来扩展它的功能，非常类似于拥有PCMCA扩展槽的Laptop。未来的便携式设备是什么样子简直难以预测。而这些设备往往对系统功耗有很严格的要求，手机的待机时间太短，很可能在谈话过程中中断；MP3能够存储几百小时的音乐，然而电池的寿命

44、却只有几十小时；Laptop的连续使用时间也只有几个小时；掌上电脑在变成一块砖头之前也仅仅只有几个小时的连续使用寿命。然而，真正的矛盾是用户期望越来越多的功能添加到这些设备中（如无线连接、媒体播放等），而随着功能的不断增加，设备的能耗就会增加。这样对于靠电池供电的便携式设备来说功耗成了功能增加的限制因素。除此之外，系统功耗还与很多其他的问题密切相关。对于用市电供电的系统来说，如PC机，功耗与散热问题密切相关，功耗太大散热问题难以解决，系统也难以正常工作，容易出现软件故障甚至是硬件损坏。另外，近年来集成电路技术发展迅速，片上系统SOC（System On Chip）技术已经非常流行。由于集成度的

45、不断提高，散热成为系统设计者必须解决的难题，而低功耗设计是解决散热问题的最有效方法之一。在嵌入式应用系统中，节能技术大致可以分为两类：静态节能技术和动态节能技术。静态节能技术是指从系统构造、工作原理方面入手，降低系统功耗。最基本的静态节能手段就是选用低功耗器件，近来的硬件元器件产品大都体现了低功耗的设计理念。静态技术主要在系统初始设计过程中使用，其假设系统的功能定义和工作模式已知，而且在将来也不会改变。在嵌入式系统软硬件设计的初期阶段，已经使用到了一些静态低功耗降低技术。例如，通过软件优化编译技术来优化所使用的指令代码，从而影响到运行程序的能耗；代码存储和内存中的数据存取方式将影响到处理器和存

46、储单元之间的能量平衡；数据表达方式也将影响到通信资源的功耗。与静态技术相对应，动态技术则是系统在运行阶段充分利用工作负载的变化性来动态改变设备工作模式，从而达到降低系统功耗的目的。动态技术本质上是一个系统级的设计方法，其最关键之处在于功耗管理(Power Management，PM)单元：PM监控整个系统的工作状态，当发现系统处于欠负载或者无负载状态时，就发送命令来控制目标设备的工作模式。而嵌入式系统的组成和应用特性也为动态低功耗策略设计与应用提供了可能。动态节能技术主要是通过改变系统的运行行为来达到降低系统功耗的目的，如在系统工作过程中，根据运行状况将器件从工作状态转入睡眠状态。在这种软件节能技术中，功能部件被分成多个节能状态。挖掘外部功能部件的不活跃状态已经是现代操作系统中比较普遍的特性。通过使设备在长时间的不活跃状态进入睡眠状态和在恰当的时候唤醒设备，系统功耗确实能够得到很大的节省。然而在硬件设备被唤醒的过程中，能耗会有很大损耗，同时系统性能也会受很大影响。动态电压调整技术DVS是动态节能技术的另一种形式，它是嵌入式系统中一种新型的、有效的低功耗设计技巧，指的是动态地调节处理器的供电电压和相应的时钟频率。因为CMOS电路的能耗和供电电压的平方成正比关系和频率也成正比，所以降低供电电压和频率是削减能耗的最有效方法之一。由于处