基于DM6446嵌入式虹膜识别系统的电源设计与实现

摘要：为了实现嵌入式虹膜识别系统的稳定工作，提出了一种基于软件关机电路的电源系统设计方案，并完成系统的硬件设计。该系统的硬件设计主要分为全局电源，内核电源和I/O模块电源3大部分，能够满足虹膜识别系统的所有器件功耗需求。实际应用表明，该电源具有软件可操作性，能够使TMS320DM6446内核达到长期且稳定工作的特点，满足了设计需求。

关键词：嵌入式虹膜识别系统;DM6446;软件关机电路;内核电源

随着社会和科技的发展，身份认证的重要性日益显现。传统的身份识别方式由于其固有的局限性已远远不能满足要求，于是迫切希望有一种安全可靠、易于使用的鉴别身份方式。虹膜识别以其非接触的采集方式，最精确的识别方法，居于生物特征识别系统的首位。目前，虹膜识别系统实现平台可分为基于PC机的虹膜识别系统和基于嵌入式的虹膜识别系统两大类。前者主要用于国防等国家大型管理系统等领域;而后者适用于小范围认证，信息处理量不大，系统结构较为简单的高安全级别门禁系统等领域。

本课题研究开发了基于DM6446的嵌入式虹膜系统，主要研究工作分为3部分：虹膜嵌入式硬件系统的实现、Linux操作系统下驱动编写和虹膜算法在DSP上的移植与优化。本文重点阐述在该嵌入式硬件系统实现过程中的电源设计。根据业界硬件工程师的设计电路经验，电源设计是电路设计的核心，只有电源在长期稳定地工作条件下，嵌入式系统的各个模块才可能完成其相应的工作。因此，电源的设计与实现在该嵌入式系统中占有至关重要的作用。

1 全局电源设计

在本系统中，通过考察各模块电路和芯片参数等多方面因素，确定了整个系统的全局电源为5V输出;由于DM6446中的ARM内核和DSP内核等均为高功耗模块，所以在全局电源设计中，应考虑系统的最大功耗，使其能维护整个模块系统能正常稳定工作，并杜绝过度发热现象。

综上所述，定义全局电源输出电压：Vo=5 V，负荷电流：Io-TYP=12 A，输入电压Vin-TYP=12 V，软启动时间tss=5 ms。选用LM3150降压电源芯片，其输入电压范围可达到6～24 V，输出电流最高达12 A，达到设计要求。

1.1 设计输出电压

全局稳压电源电路图如图1所示，根据输出电压计算公式：

1.2 使能端软件关机电路

该电路使用隔离的小电压控制LM3150电源的使能引脚(EN)，保证了单片机控制电路引脚不受倒灌的高电压侵害。

软件关机电路图如图2所示，在调试阶段，焊接R52电阻，使得Q1基极为低，Q1断开，Power_On端经R10接地，使得LM3150电源电路停用;当不焊接R52电阻时，Q1基极为高电平，Q1导通，此时，Power_on端电压

，由于VPower_on>1.26 V时，启动LM3150电源电路。(注：此时的VPower_on可依据电阻的不同阻值任意调节，实现了小电压控制某大电压通断)

在软件关机电路中，将单片机的引脚连接到Power_set端，当Power_set端为高电平时，Q2导通，使Q1基极为低;当Power_set端为低电平时，Q2断开，使Q1基极为高电平。以实现用单片机控制整个电路电源的通断，并解决了LM3150反馈电流倒灌使单片机烧毁的问题。

2 内核电源设计

根据DM6446内核功耗表，如表1所示，在频率达到594 MHz的情况下，内核电压为1.2 V，功耗为1.05 W，内核所需电流为：

本系统设计时，采用了810 MHz的DM6446，其内核功耗会高于1.05 W，所需内核电流也高于0.875 A，其内核电压为1.3 V;并且在系统板中的FPGA(EP3C55F780)所需内核电压为1.2 V，综上两种因素的考虑，因此，其一，内核电源需提供1.2 V和1.3 V两种不同电压;其二，为使810 MHz的DSP内核能稳定工作，需为其提供功耗余量，提供的最大电流控制在3A左右。

设计时采用TPS54386电源芯片，它不仅能提供最大为3 A的大电流，而且还是双电压输出模式。内核电源的典型电路图如图3所示。

设计反馈电阻R1和R2以保证输出电压为理想输出电压。如图4所示TPS54386反馈电路。

3 I/O模块电源设计

对于DSP外围I/O口模块电压分别为1.8 V和3.3 V，同样采用TPS54386电源芯片，依据以上的设计方法：

在设计过程中，如图5，图6所示，考虑到DSP内核的上电时间应比I/O模块的上电时间提前或同时发生，而两模块供电又是分开的，因此需设计硬件延迟电路。

(其中，VTH=1.2 V、IENX=6μA、R=51 kΩ)，这里取C=12 pF时，延迟时间为tDELAY=100 ns。

3.1 CVDD和CVDDSP的隔离

ARM内核和DSP内核上电顺序如图7所示，DSP内核的上电时间晚于ARM内核的上电时问，ARM上电后，使整个系统开始正常运转，而进行数据处理的DSP内核应在ARM上电一段时间后上电或不上电。所以对其提供1.3 V电压时，两内核之间需使用功率电感延迟电流，起到隔离的作用。设计时，将CVDD直接连接1.3 V电源，而CVDDSP经过一个功率电感后，再连接1.3 V电源。

3.2 PLL电源设计

开关电源干扰主要来源于工频电流的整流波形和开关操作波形，这些波形的电流泄露到输入部位就成为传导噪声和辐射噪声，泄露到输出部位就形成了纹波问题。PLL外部电路如图8所示，考虑到电磁兼容性的有关要求，在外部设计时加入EMI滤波网络，隔离外部电源纹波引入，抑制开关电源上的干扰。

3.3 DAC内核电压和模拟I/O电压的设计

由于DSP内核电压(Vcore=1.3 V)不能直接供给DAC内核(VDDAIPIV=1.2 V)，为增强DAC内核电源稳定性，如图9所示，采用功率电感L21，L22进行纹波滤波处理。而DAC的参考电压0.5 V无需吸入大电流，因此直接选用稳压二极管就能实现。模拟I/O电压VDDAIP8V=1.8 V，设计方法与上相同。

3.4 DDR2电源设计

DDR2外部电路图如图10所示，DVDDR2通过EMI滤波网络将1.8 V电压接入到DDR_VDDDLL引脚，实现对DDR2供电的目的;由于DDR2接口端输入阻抗大，所以DDR_VREF参考电压通过两个阻值为1 kΩ的电阻分压为0.9 V。

4 结论

嵌入式虹膜识别系统的电源网络采用软件关机电路进行控制，满足了810 MHz的DSP等各类高功耗内核的需求，并解决了内核上电时序先后顺序及其延时问题，提高了系统的稳定性和可靠性。该嵌入式虹膜识别系统现已量化投产，并成功投入社会使用。根据其实际应用表明，该电源系统具有可控性好、电压稳定、宽输入电压，并满足嵌入式系统所有器件功耗需求等的特点，达到了设计要求。