嵌入式移動(dòng)終端內(nèi)置WIFI 的低功耗設(shè)計(jì)

嵌入式移動(dòng)終端內(nèi)置WIFI的低功耗設(shè)計(jì)

1引言嵌入式設(shè)備是無(wú)線(xiàn)通信最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。自2007年開(kāi)始，全球Wi-Fi（WirelessFidelity）市場(chǎng)高速持續(xù)增長(zhǎng)，銷(xiāo)量達(dá)到2.8億套。低功耗的無(wú)線(xiàn)通信軟硬件設(shè)計(jì)是嵌入式移動(dòng)設(shè)備重要的研究?jī)?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(jī)的電池容量，則通話(huà)時(shí)間僅為1～2小時(shí)，待機(jī)時(shí)間也僅有20～26小時(shí)。而從現(xiàn)實(shí)應(yīng)用看，嵌入式移動(dòng)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(shí)間。因此，解決功率消耗對(duì)提高嵌入式WIFI移動(dòng)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(dòng)設(shè)備中WIFI子系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)思路，芯片采用恩智浦公司的BGW200模塊，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件、WIFI底層的軟件驅(qū)動(dòng)方面、節(jié)點(diǎn)管理模式等手段實(shí)現(xiàn)了低功耗的WiFi系統(tǒng)。2WIFI硬件與射頻電路低功耗設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用LPC2220微控制器作為主機(jī)端微控制器，它基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入跟蹤的ARM7TDMI-SCPU。BGW200是一款WIFI低功耗系統(tǒng)化封裝(SiP)芯片組，具備“主機(jī)零負(fù)荷”性能，MAC通信協(xié)議可以利用內(nèi)置嵌入的ARM7核來(lái)執(zhí)行，所以不會(huì)對(duì)主處理器HOST造成任何負(fù)荷。只有當(dāng)BGW200接收到有效數(shù)據(jù)封包時(shí)，才會(huì)觸發(fā)主處理器工作。圖1顯示了WIFI子系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)低功耗目標(biāo)的硬件電路設(shè)計(jì)框圖，主要包括BGW200、系統(tǒng)時(shí)鐘、低頻睡眠時(shí)鐘、和1.8V/3.0V電源供應(yīng)、帶通濾波器、天線(xiàn)和“與門(mén)”電路。其中用虛線(xiàn)標(biāo)注的低頻睡眠時(shí)鐘和輔助RF電路在設(shè)計(jì)中屬于可選項(xiàng)。設(shè)計(jì)具體細(xì)節(jié)如下：SPI2接口：考慮到SDIO對(duì)主機(jī)資源消耗較大，設(shè)計(jì)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(guò)管腳設(shè)置CSR0/SCR1為0/0。兩個(gè)SPI接口共享相同的數(shù)據(jù)線(xiàn)和時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)，但是具有不同的片選信號(hào)，SPI1使用GPIO[10]作為片選信號(hào)，SPI2使用SPI_SS_N（GPIO[6]）。SPI2接口操作獨(dú)立于總線(xiàn)時(shí)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(jì)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(jì)依據(jù)的因素考慮了芯片的成本、電平值和最大電流負(fù)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(hù)特性，采用了TPS73630（3.0V，400mA）和TPS73218（1.8V，250mA）。考慮到陶瓷電容有最優(yōu)的ESR特性過(guò)濾脈動(dòng)電壓抖動(dòng)影響，設(shè)計(jì)中同時(shí)采用了陶瓷電容匹配LDO芯片。另外，為加強(qiáng)低功耗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)用了LPC2220主控制器的一個(gè)GPIO口來(lái)控制BGW200的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)來(lái)降低功耗。主系統(tǒng)時(shí)鐘和睡眠時(shí)鐘。BGW200工作要求兩個(gè)時(shí)鐘，主系統(tǒng)時(shí)鐘44MHz（10ppm）和32KHz的睡眠時(shí)鐘。在嵌入式設(shè)計(jì)中都可以共享主處理器LPC2220的時(shí)鐘資源，其中BGW200的GPIO[4]通過(guò)并聯(lián)電容直接連到睡眠時(shí)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50?的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，2.45GHz的天線(xiàn)能夠通過(guò)50?的微帶線(xiàn)直接連接到BGW200的天線(xiàn)端口。在設(shè)計(jì)中，借助網(wǎng)絡(luò)分析儀工具的幫助，設(shè)計(jì)了LC匹配電路以達(dá)到更高帶寬性能的射頻信號(hào)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(xiàn)設(shè)計(jì)采用了Johanson公司的型號(hào)2450AT45A100，（最大輸入功率：500mW；天線(xiàn)峰值增益：0.5dBi；回波損耗：9.5dB）。3WIFI底層驅(qū)動(dòng)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TIOMAP/IntelBulverde/嵌入式平臺(tái)。它的底層軟件架構(gòu)分主機(jī)（Host）和從機(jī)（Target）兩個(gè)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。3.1底層驅(qū)動(dòng)架構(gòu)分析圖2表示了Host主要的功能模塊：客戶(hù)機(jī)端的驅(qū)動(dòng)（ClientDriver）該層主要提供主機(jī)的操作系統(tǒng)OS、上層運(yùn)行程序、以及主機(jī)端硬件抽象層（HHAL:HostHardwareAbstractionLayer）之間的連接，它將調(diào)用HHAL層的API參數(shù)，對(duì)于不同的操作系統(tǒng)OS，該部分驅(qū)動(dòng)要做重新移植。主機(jī)端硬件抽象層（HHAL）該層是服務(wù)于SPI/SDIO接口的主機(jī)端抽象接口，它分為兩個(gè)部分，通用部分(Common)和平臺(tái)(Platform)相關(guān)部分。通用部分對(duì)所有的平臺(tái)都是相同的，提供高層次的數(shù)據(jù)處理。而平臺(tái)相關(guān)部分則依具體的硬件平臺(tái)而定，需要提供底層對(duì)通信接口(SPI)的讀、寫(xiě)等操作，需要設(shè)計(jì)具體的硬件相關(guān)資源，如硬件中斷、DMA通道等?？膳渲眯в脤樱–onfigurationUtilities）針對(duì)不同的平臺(tái)，提供了WLAN的相應(yīng)配置工具，例如在WinCE上的ZeroConfig，或者Linux平臺(tái)的WirelessExtension包。主機(jī)操作系統(tǒng)抽象層（HOSAL）該層是一個(gè)主機(jī)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(wú)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(lèi)。該模塊主要包含支持HHAL運(yùn)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(shí)器、隊(duì)列、中斷、線(xiàn)程、事件和互斥鎖。

3.2WIFI軟件驅(qū)動(dòng)與節(jié)電模式設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)OS采用Linux2.4內(nèi)核，具體實(shí)現(xiàn)分以下幾個(gè)部分：首先在驅(qū)動(dòng)裝載的過(guò)程中由HostDriver調(diào)用PhgOsalRegInit()請(qǐng)求HOSAL層執(zhí)行initialize任務(wù)來(lái)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(cè)事件入口，創(chuàng)建事務(wù)線(xiàn)程。準(zhǔn)備工作一旦就緒，通過(guò)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(tái)資源初始化、注冊(cè)中斷處理函數(shù)、創(chuàng)建直接內(nèi)存訪問(wèn)通道等。這樣HHAL通用層就具備了同Target進(jìn)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(xiě)入START指令，等待Target的ACK確認(rèn)信息，初始化工作即宣告完成。在HHAL通用層中已經(jīng)定義了大量MIB命令字來(lái)與Target的Firmware執(zhí)行相匹配，HOST通過(guò)PhgHhalQueueMgmtReq()給TargetT發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求，對(duì)于簡(jiǎn)單的命令與回應(yīng)，通過(guò)設(shè)置和讀取TargetT的內(nèi)部寄存器來(lái)完成。如果有數(shù)據(jù)需要傳輸，Target向HOST請(qǐng)求中斷，并通過(guò)直接內(nèi)存訪問(wèn)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(guò)程HOST向Target發(fā)起SCAN、JOIN、AUTH、ASSOC等請(qǐng)求，等待Target執(zhí)行完成并返回確認(rèn)，HOST收到確認(rèn)后轉(zhuǎn)入在初始化階段注冊(cè)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。數(shù)據(jù)通訊實(shí)際上通過(guò)M2S和S2M兩個(gè)DMA通道來(lái)完成。發(fā)送數(shù)據(jù)同樣是調(diào)用PhgHhalQueueMgmtReq()發(fā)起請(qǐng)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(hào)向無(wú)線(xiàn)連接點(diǎn)AP發(fā)送。接收數(shù)據(jù)則是Target由連接點(diǎn)收到RF信號(hào)，解析為MAC數(shù)據(jù)包，向HOST發(fā)出中斷請(qǐng)求，待HOST準(zhǔn)備就緒，調(diào)用HhalPlatformS2MDma()從Target中接收數(shù)據(jù)。根據(jù)移動(dòng)終端的具體運(yùn)用場(chǎng)景，在底層驅(qū)動(dòng)中開(kāi)發(fā)了ACTIVE、MaxPOWER_SAVE、FastPOWER_SAVE、POWER_SLEEP四種電源管理模式。工作模式（ActiveMode）時(shí)，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（MaxPOWER_SAVE）時(shí)，滿(mǎn)足在用戶(hù)可以選擇的偵聽(tīng)間隔最大程度內(nèi)，達(dá)到功耗節(jié)省最優(yōu)?？焖俟墓?jié)電模式（FastPOWER_SAVE）時(shí)，滿(mǎn)足在用戶(hù)固定的偵聽(tīng)間隔，達(dá)到良好的功耗節(jié)省最優(yōu)。睡眠模式（POWER_SLEEP）時(shí)，芯片處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，用戶(hù)需要人工操作重新回到芯片工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)裝載后默認(rèn)的是ACTIVE，同時(shí)在事務(wù)線(xiàn)程中對(duì)電源模式進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)上層軟件需要轉(zhuǎn)換為POWER_SAVE，驅(qū)動(dòng)仍然通過(guò)PhgHhalQueueMgmtReq()向Target發(fā)起請(qǐng)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(shí)仍進(jìn)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?lái)實(shí)時(shí)切換Target的工作模式，以達(dá)到有效節(jié)能的目標(biāo)。4測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)的WIFI子系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境下進(jìn)行了功耗測(cè)試，測(cè)試用的無(wú)線(xiàn)連接點(diǎn)AP用的是Linksys公司的WRT54G，無(wú)線(xiàn)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(shí)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(cè)量出發(fā)射和接收功耗。測(cè)試結(jié)果如表1所示。表1

BGW200在LPC2220/Linux2.4系統(tǒng)平臺(tái)上的功耗測(cè)試

WIFI子系統(tǒng)的待機(jī)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(shí)現(xiàn)了對(duì)WIFI的低功耗設(shè)計(jì)要求。加上在本論文設(shè)計(jì)的包括LPC2220微控制器作為主機(jī)端的整個(gè)系統(tǒng)平均待機(jī)電流為15mA，通話(huà)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(jī)時(shí)間可以到48小時(shí)，連續(xù)通話(huà)時(shí)間為3小時(shí)。

5結(jié)束語(yǔ)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于：通過(guò)實(shí)際的設(shè)計(jì)