智能POS系统框图分析及其七大关键功能模块解决方案

作者:You, Dylan 

 

销售终端POS(Point of Sale)是可以通过与金融机构联网来实现非现金消费、预授权、查询余额、转账等功能的电子设备,通常会安装在商户端。而智能POS(Smart Point of Sale)对比于传统POS,不仅能实现传统POS的刷卡支付,而且还包括扫描二维码支付和验证会员卡券等功能。正因为这些新功能的增加,必然带来了新需求。而本文章首先会介绍智能POS在市场上的行业发展趋势,然后会介绍整体的系统解决方案,并根据系统框图的功能模块逐一介绍TI的明星产品和优势。

根据2019智能POS产业发展报告和尼尔森报告,2016-2019年全国联网POS保有量分别为2453、3118、3414和3089万台,三年的年均复合增长率(CAGA)为8%,增长较为缓慢,在2018至2019年甚至出现有所下滑。而2016-2019年全国智能POS保有量为100、240、600、1166万台,三年CAGA达到了惊人的127%,并且智能POS在联网POS中占比也从2016年的4%迅速增至2019年的37.6%。由此可见,智能POS在以极为凶猛的速度替换传统POS,而这也迎合了用户对智能POS功能多样化的需求。

智能POS硬件上通常具有以下七大关键功能模块:

  • 电池管理模块:充电器实现电池的快充,特殊功能包括路径管理和OTG等;TI电量计通过阻抗跟踪方法对电池电量进行精确监测。
  • 电压转换模块:对输出电压进行降压或升压转换,进而给MCU和外设等供电。
  • 打印机模块:实现小票打印功能,支持缺纸检测、自动上纸和自动纠偏等。
  • 充电底座模块:多种端口实现拓展功能,连接RS-232接口等。
  • LED背光驱动模块:通过PWM调节实现对智能POS屏幕亮度的调节。
  • 音频模块:根据环境噪音不同,对功放的增益进行调节进而调节语音播放音量。
  • 处理器模块:低功耗,多核性能强大,连接蓝牙和Wi-Fi等无线产品。

图1展示了智能POS的简易系统框图。除此之外,TI官网上还有台式POS等的参考设计

  

                                                                                       图1

下面会分别从电池管理、打印机和电压转换三个关键功能模块介绍TI主推的明星产品和优势。

1. 电池管理模块

a) 充电器Charger:

BQ25611D:针对单节锂电池(3.5-4.5V电压)可提供3A快充、IIC接口、集成了USB输入源检测等功能。图2展示了BQ25611D内部的功能模块,BQ25611D的主要优势如下:

  • D+/D-检测和IIC控制接口:当插入适配器后,会对输入源进行检测,并进行最大输入电流限制。通过IIC接口可在检测了输入源后,通过Host重新给IINDPM寄存器进行编程修改充电电流,实现非标适配器3.2A输入电流,满足智能POS客户对非标适配器快充需求。
  • 支持路径管理,给放电过多电池进行充电;支持USB On-the-Go,将电池电压升压到4.6/4.75/5/5.15V从而给智能POS的其他外设,例如键盘等,进行充电。
  • 智能POS通常待机时间长,低至9uA的静态电流使得电池寿命得以延长。

  

                                                                                       图2

b)电量计:

BQ27426:针对单节电池进行电量监测,只需少量的用户配置和系统微控制器固件开发工作,就可以快速启动系统,降低设计开发难度,并且性价比极高。并具有以下优势:

  • TI专利阻抗跟踪算法进行电量监测,电压偏移小于5mV,对容量百分比(SOC)进行预测的误差一般在1.5%以内,对比基于电压的电量监测的20mV电压偏移/15%的最大SOC误差来说精确度得到了极大提升,从而延长智能POS运行寿命。
  • 给电池最大电压为4.2/4.35/4.4V提供了三种可选的预编程配置文件,简化配置难度。
  • 内部集成了1.8V的LDO直接供电,无需外置LDO。
  • 400 kHz 的IIC 标准两线通信,同时内部有完整的CPU和电池电量软件,无需对电池算法和软件进行开发,减小开发难度。
  • BIN管脚针对智能POS电池包的更换进行检测。

2. 打印机模块

a)电机驱动:

DRV8833CDRV8833 的低成本方案,麻雀虽小,五脏俱全,而且价格极为低廉,对于智能POS本身对成本控制要求较高来说极为匹配。主要性能如下:

  • 带电流控制的双路H桥来驱动双极性步进电机;简易的PWM接口实现电机的转向、转速和刹车等功能,使得智能POS的电机可以自动上纸和自动纠偏等功能。
  • 宽电源电压2.7至10.8V范围,通常选取和打印机一样的电压,例如8V,能实现快速出纸功能;每个H桥能驱动700mA的RMS电流,满足普通双极性步进电机需求。
  • 在智能POS进行出纸等打印功能出现故障时,DRV8833C具有UVLO、OCP、TSD和nFAULT的保护特性。
  • 在不使用步进电机进行出纸时,电机驱动有1.6uA的低电流睡眠模式,降低损耗。

图三和图四展示了DRV8833C在整步下且电流调节限制在600mA时,步进电机其中一相的输出电流(紫色)和电压(黄色)波形。电机为42系列步进电机,步距角1.8°,额定电压9V。

  

                                           图三                                                                                                   图四

从图三中可以观察到,在电机的驱动阶段,电机的输出电压(黄色)持续导通,导致输出电流(紫色)持续拉高。而当输出电流增加到了600mA的电流限制值时(见图四),就进入了慢衰减(Slow decay)模式实现续流。当达到了慢衰减的关断时间节点后,输出电流会继续拉高,按照这个规律形成了图四的三角波波形。在慢衰减模式下,输出电流的纹波较小。

b)升压芯片:

通常来说,智能POS中打印机也需要进行供电,例如8V/3A,加上电机驱动所需的8V/0.6A,所以系统中需要一个8V/4A/32W的输入源。而在图1中的系统框图中,需要得到一个32W的输出,我们只能从充电器的系统端提供。所以在充电器的系统端到打印机模块我们需要一颗升压芯片。

 

TPS61088 以实现输入4V/10A到输出8V/4A的升压芯片,具有以下优势:

  • 全集成同步升压转换器,效率可达91%,专门针对便携式系统提供高效小尺寸解决方案。
  • 轻载下可选PFM和强制PWM模式,PFM实现高效,强制PWM实现固定频率。
  • 可调开关频率200kHz至2.2MHz,可设计尺寸较小的电感。
  • 13.2V输出OVP、OCP和TSD保护。

3. 电压转换模块

a)LDO:

TLV740P 是一款输入电压范围1.4至5.5V,固定输出电压范围1至3.3V。同时具有卓越的负载动态响应性能,50uA低静态电流,1kHz下PSRR高达65db,专为对Power-sensitive应用而设计。除此之外,价格也极为低廉。所以,TLV740P极为适合在智能POS中实现5V转3.3V给MCU供电,5V转1.8V给CMOS传感器供电。

b)升压芯片

TPS61023 是一款输入电压范围0.5至5.5V,输出电压2.2至5.5V的同步升压转换器。工作频率可达1MHz,设计电感尺寸更小,减小单板面积。最大静态电流30uA,关断电流典型值为0.1uA,所以极为适合智能POS中给外设供电的应用场景(当不给外设供电时损耗更小)。除此之外,还具有5.7V输出电压保护、输出短路保护和热关断保护,保证智能POS在给外设供电出现故障时及时关断芯片。

 

4. 其他模块的明星产品

  • TPS61169 是一款升压LED背光驱动,内部具有一个40V、1.8A的MOSFET,可针对小型智能POS面板背光照明驱动LED串。并且PWM的频率可达1.2MHz来实现亮度控制, 使得工程师可以设计外部电感到较小尺寸。同时,具有LED开路保护、欠压保护和热关断保护。
  • TRS3232E 是一款双通道最高速率为250kbps的RS-232收发器。具有正负15kV的HBM、正负8kV的Contact Discharge和正负15kV Air-Gap Discharge的ESD保护,满足甚至超出TIA/EIA-232-F和ITU V.28标准的需求。供电电压3至5.5V。
  • TPA2011D1 是一款高效无需滤波器的Class-D 功放,可连单声道的4Ω/3.24W(5V,10% THDN)的喇叭。集成了300kΩ的反馈电阻和DAC降噪所需的滤波,进而仅需连接3个外部元器件。同时,性能上有95%效率、86db PSRR和1.5mA的静态电流使得其极为适合于智能POS这种手持的小型设备。

 

 

参考文献:

TI阻抗跟踪电量计化学ID获取方法

TI电池电量监测基础知识

BQ25611D EVM 用户指南:

央行支付体系运行数据

DRV8833C EVM

LDO基础知识

TI开关电源实验套件测试方法

Class-D 功放的功率和电源考虑