嵌入式移動終端內(nèi)置WIFI 的低功耗設(shè)計
1 引言
嵌入式設(shè)備是無線通信最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。自2007 年開始，全球Wi-Fi（Wireless Fidelity） 市場高速持續(xù)增長，銷量達到2.8 億套。低功耗的無線通信軟硬件設(shè)計是嵌入式移動設(shè)備重要的研究內(nèi)容。仍以Wi-Fi 為例，若采用飛思卡爾（Freescale）的WIFI 模組和嵌入式微處理器MCF5249 ，考慮通常手機的電池容量，則通話時間僅為1～2 小時，待機時間也僅有20～26 小時。而從現(xiàn)實應(yīng)用看，嵌入式移動設(shè)備中電池能量有限，在充電后至少應(yīng)該保障一天的使用時間。因此，解決功率消耗對提高嵌入式WIFI 移動設(shè)備的可用性具有重要意義。
本文提出了一種在嵌入式移動設(shè)備中WIFI 子系統(tǒng)的低功耗設(shè)計思路，芯片采用恩智浦公司的BGW200 模塊，通過合理的設(shè)計系統(tǒng)硬件、WIFI 底層的軟件驅(qū)動方面、節(jié)點管理模式等手段實現(xiàn)了低功耗的WiFi 系統(tǒng)。
2 WIFI 硬件與射頻電路低功耗設(shè)計
本設(shè)計采用LPC2220 微控制器作為主機端微控制器，它基于一個支持實時仿真和嵌入跟蹤的ARM7TDMI-S CPU。BGW200 是一款WIFI 低功耗系統(tǒng)化封裝(SiP) 芯片組，具備“主機零負荷”性能，MAC 通信協(xié)議可以利用內(nèi)置嵌入的ARM7 核來執(zhí)行，所以不會對主處理器HOST 造成任何負荷。只有當(dāng)BGW200 接收到有效數(shù)據(jù)封包時，才會觸發(fā)主處理器工作。
圖1 顯示了WIFI 子系統(tǒng)為實現(xiàn)低功耗目標(biāo)的硬件電路設(shè)計框圖，主要包括BGW200、系統(tǒng)時鐘、低頻睡眠時鐘、和1.8V/3.0V 電源供應(yīng)、帶通濾波器、天線和“與門”電路。其中用虛線標(biāo)注的低頻睡眠時鐘和輔助RF 電路在設(shè)計中屬于可選項。設(shè)計具體細節(jié)如下：SPI2接口：考慮到SDIO 對主機資源消耗較大，設(shè)計采用SPI 接口。BGW200 分SPI1 和SPI2兩種接口，其中SPI2 是高度從接口（Slave），通過管腳設(shè)置CSR0/SCR1 為0/0。兩個SPI 接口共享相同的數(shù)據(jù)線和時鐘信號線，但是具有不同的片選信號，SPI1 使用GPIO[10] 作為片選信號，SPI2 使用SPI_SS_N（GPIO[6]）。SPI2 接口操作獨立于總線時鐘，最高可以工作到66MHz 。SPI2 的IO 接口采用VDD3.3 供電（2.7V 到3.6V）。
圖1 WIFI 子系統(tǒng)硬件框圖
供電單元設(shè)計采用了LDO 降壓芯片，由于BGW200 分兩種電壓：射頻部分電壓范圍值（2.7V-3.6V），基帶內(nèi)核電壓范圍值（1.65V-1.95V）。因此設(shè)計依據(jù)的因素考慮了芯片的成本、電平值和最大電流負荷、電源輸入輸出效率和噪聲、輸入電壓范圍、輸出電壓精度以及保護特性，采用了TPS73630（3.0V，400mA ）和TPS73218（1.8V，250mA）?？紤]到陶瓷電容有最優(yōu)的ESR 特性過濾脈動電壓抖動影響，設(shè)計中同時采用了陶瓷電容匹配LDO 芯片。另外，為加強低功耗設(shè)計實現(xiàn)，設(shè)計用了LPC2220 主控制器的一個GPIO 口來控制BGW200 的開/關(guān)狀態(tài)來降低功耗。
主系統(tǒng)時鐘和睡眠時鐘。BGW200 工作要求兩個時鐘，主系統(tǒng)時鐘44MHz（10ppm） 和32KHz 的睡眠時鐘。在嵌入式設(shè)計中都可以共享主處理器LPC2220 的時鐘資源，其中BGW200 的GPIO[4]通過并聯(lián)電容直接連到睡眠時鐘。
2.4GHz 射頻匹配電路。理想狀態(tài)下，由于BGW200 的RF 端口已經(jīng)是50Ω 的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，
2.45GHz 的天線能夠通過50Ω 的微帶線直接連接到BGW200 的天線端口。在設(shè)計中，借助網(wǎng)絡(luò)分析儀工具的幫助，設(shè)計了LC 匹配電路以達到更高帶寬性能的射頻信號接收性能和最佳的駐波比（回波損耗），具體的LC 參數(shù)值取決于PCB（FR4） 介材特性和電子料的布板。天線設(shè)計采用了Johanson 公司的型號2450AT45A100，（最大輸入功率：500mW ；天線峰值增益：0.5dBi ；回波損耗：9.5dB）。
3 WIFI 底層驅(qū)動移植與節(jié)電模式算法
BGW200 芯片提供WinCE5.0 和Linux2.4 內(nèi)核的標(biāo)準(zhǔn)程序代碼，分別基于TI OMAP/ Intel Bulverde/ 嵌入式平臺。它的底層軟件架構(gòu)分主機（Host） 和從機（Target） 兩個部分，其中Target 是指BGW200 的MAC 層，相關(guān)的MAC 協(xié)議已經(jīng)固化在芯片內(nèi)部。
圖2 表示了Host 主要的功能模塊：
客戶機端的驅(qū)動（Client Driver）該層主要提供主機的操作系統(tǒng)OS、上層運行程序、以及主機端硬件抽象層（HHAL: Host Hardware Abstraction Layer ）之間的連接，它將調(diào)用HHAL層的API 參數(shù)，對于不同的操作系統(tǒng)OS，該部分驅(qū)動要做重新移植。主機端硬件抽象層（HHAL） 該層是服務(wù)于SPI/SDIO 接口的主機端抽象接口，它分為兩個部分，通用部分(Common) 和平臺(Platform)相關(guān)部分。通用部分對所有的平臺都是相同的，提供高層次的數(shù)據(jù)處理。而平臺相關(guān)部分則依具體的硬件平臺而定，需要提供底層對通信接口(SPI)的讀、寫等操作，需要設(shè)計具體的硬件相關(guān)資源，如硬件中斷、DMA通道等。
可配置效用層（Configuration Utilities） 針對不同的平臺，提供了WLAN的相應(yīng)配置工具，例如在WinCE上的ZeroConfig ，或者Linux平臺的Wireless Extension 包。
主機操作系統(tǒng)抽象層（HOSAL） 該層是一個主機側(cè)操作系統(tǒng)的抽象接口，它提供了給HHAL的通用部分與操作系統(tǒng)無關(guān)的能力。該層以統(tǒng)一的接口支持不同的具體操作系統(tǒng)，目前主要有Linux和WinCE兩類。該模塊主要包含支持HHAL運行的相關(guān)OS的API。具體包括：OS相關(guān)的結(jié)構(gòu)體初始化、內(nèi)存管理、定時器、隊列、中斷、線程、事件和互斥鎖。
3.2 WIFI軟件驅(qū)動與節(jié)電模式設(shè)計
本設(shè)計OS采用Linux2.4 內(nèi)核，具體實現(xiàn)分以下幾個部分：
3.2.1 初始化（Initialization）
首先在驅(qū)動裝載的過程中由HostDriver 調(diào)用PhgOsalRegInit()請求HOSAL層執(zhí)行initialize 任務(wù)來完成內(nèi)存的分配，然后執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中傳遞硬件相關(guān)的資源，并且注冊事件入口，創(chuàng)建事務(wù)線程。準(zhǔn)備工作一旦就緒，通過調(diào)用PhgHhalInitialize（） 立刻轉(zhuǎn)入HHAL 通用層的處理，在通用層中調(diào)用HhalPlatformInitPreBoot()執(zhí)行硬件相關(guān)的代碼如平臺資源初始化、注冊中斷處理函數(shù)、創(chuàng)建直接內(nèi)存訪問通道等。這樣HHAL通用層就具備了同Target 進行數(shù)據(jù)交換的能力。然后將Firmware 下載到Target 中，并向Target 的內(nèi)部寄存器寫入START 指令，等待Target 的ACK確認信息，初始化工作即宣告完成。
3.2.2 建立連接（Connection）
在HHAL通用層中已經(jīng)定義了大量MIB命令字來與Target 的Firmware 執(zhí)行相匹配，HOST通過PhgHhalQueueMgmtReq() 給TargetT 發(fā)起一個請求，對于簡單的命令與回應(yīng)，通過設(shè)置和讀取TargetT 的內(nèi)部寄存器來完成。如果有數(shù)據(jù)需要傳輸，Target 向HOST請求中斷，并通過直接內(nèi)存訪問通道DMA把數(shù)據(jù)傳輸?shù)紿OST ，再由HOST 提交給操作系統(tǒng)上層。建立連接的過程HOST向Target 發(fā)起SCAN、JOIN、AUTH 、ASSOC 等請求，等待Target 執(zhí)行完成并返回確認，HOST收到確認后轉(zhuǎn)入在初始化階段注冊的相應(yīng)事件入口，通知上層系統(tǒng)已經(jīng)完成連接的建立。
3.2.3 數(shù)據(jù)通訊（Communication）
數(shù)據(jù)通訊實際上通過M2S 和S2M 兩個 DMA 通道來完成。發(fā)送數(shù)據(jù)同樣是調(diào)用PhgHhalQueueMgmtReq() 發(fā)起請求，待Target 準(zhǔn)備就緒，調(diào)用HhalPlatformM2SDma()將數(shù)據(jù)發(fā)送到Target 中，再由Target 轉(zhuǎn)換為RF 信號向無線連接點AP 發(fā)送。接收數(shù)據(jù)則是Target 由連接點收到RF 信號，解析為MAC 數(shù)據(jù)包，向HOST 發(fā)出中斷請求，待HOST 準(zhǔn)備就緒，調(diào)用HhalPlatformS2MDma() 從Target 中接收數(shù)據(jù)。
3.2.4 節(jié)電算法軟件設(shè)計（Power Management）
根據(jù)移動終端的具體運用場景，在底層驅(qū)動中開發(fā)了ACTIVE 、Max POWER_SAVE 、Fast POWER_SAVE 、POWER_SLEEP四種電源管理模式。工作模式（Active Mode ）時，電源管理關(guān)閉，芯片處于完全上電狀態(tài)；最大功耗節(jié)電模式（Max POWER_SAVE ）時，滿足在用戶可以選擇的偵聽間隔最大程度內(nèi)，達到功耗節(jié)省最優(yōu)。快速功耗節(jié)電模式（Fast POWER_SAVE ）時，滿足在用戶固定的偵聽間隔，達到良好的功耗節(jié)省最優(yōu)。睡眠模式（POWER_SLEEP） 時， 芯片處于關(guān)機狀態(tài)，用戶需要人工操作重新回到芯片工作狀態(tài)。本設(shè)計中驅(qū)動裝載后默認的是ACTIVE， 同時在事務(wù)線程中對電源模式進行檢測，當(dāng)上層軟件需要轉(zhuǎn)換為POWER_SAVE， 驅(qū)動仍然通過PhgHhalQueueMgmtReq() 向Target 發(fā)起請求，使得Target 切換到POWER_SAVE 工作模式，在這種模式下，BGW200 只消耗很少的電能，同時仍進行MAC層的處理，上層軟件可以根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨髞韺崟r切換Target 的工作模式，以達到有效節(jié)能的目標(biāo)。
4 測試結(jié)果
本設(shè)計的WIFI 子系統(tǒng)在實際環(huán)境下進行了功耗測試，測試用的無線連接點AP 用的是Linksys 公司的WRT54G， 無線鏈路的距離是1 米，軟件設(shè)置到最大發(fā)射功率為＋16dBm，同時按照802.11b 協(xié)議規(guī)范的要求，分別在四種不同速率1M/2M/5.5M/11M 情況下測量出發(fā)射和接收功耗。測試結(jié)果如表1 所示。
表1 BGW200 在LPC2220/Linux2.4 系統(tǒng)平臺上的功耗測試
WIFI 子系統(tǒng)的待機功耗為6.36 毫瓦（100 毫秒信標(biāo)間隔）和2.23 毫瓦（300 毫秒信標(biāo)間隔），實現(xiàn)了對WIFI 的低功耗設(shè)計要求。加上在本論文設(shè)計的包括LPC2220 微控制器作為主機端的整個系統(tǒng)平均待機電流為15mA， 通話的平均電流為300mA ，通常以設(shè)備采用650mA 的電池能耗下，系統(tǒng)的待機時間可以到48 小時，連續(xù)通話時間為3 小時。
5 結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點在于：通過實際的設(shè)計研究與實驗測試對比，提出在嵌入式移動設(shè)備中WIFI 子系統(tǒng)的低功耗設(shè)計方法，其中與WIFI 連接的HOST 主機端（嵌入式微處理器）并不局限于特定的型號。本文的低功耗設(shè)計到了多個技術(shù)層面，包括芯片分析選擇、硬件系統(tǒng)外圍電路架構(gòu)、電源管理設(shè)計優(yōu)化、PCB 布板與射頻電路、軟件驅(qū)動的四個節(jié)電模式。它為廣大嵌入式移動設(shè)備企業(yè)及相關(guān)科研機構(gòu)設(shè)計最終WIFI 產(chǎn)品的設(shè)計提供一種參考思路，并倡導(dǎo)應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，研發(fā)生產(chǎn)低能耗型產(chǎn)品當(dāng)作提高企業(yè)核心競爭力的有效途徑。
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