嵌入式移動(dòng)終端內置WIFI 的低功耗設計

　　1 引言

　　嵌入式設備是無(wú)線(xiàn)通信最重要的應用領(lǐng)域。自2007 年開(kāi)始，全球Wi-Fi(Wireless Fidelity) 市場(chǎng)高速持續增長(cháng)，銷(xiāo)量達到2.8 億套。低功耗的無(wú)線(xiàn)通信軟硬件設計是嵌入式移動(dòng)設備重要的研究?jì)热?。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(huà)時(shí)間僅為1～2 小時(shí)，待機時(shí)間也僅有20～26 小時(shí)。而從現實(shí)應用看，嵌入式移動(dòng)設備中電池能量有限，在充電后至少應該保障一天的使用時(shí)間。因此，解決功率消耗對提高嵌入式WIFI 移動(dòng)設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)設備中WIFI 子系統的低功耗設計思路，芯片采用恩智浦公司的BGW200 模塊，通過(guò)合理的設計系統硬件、WIFI 底層的軟件驅動(dòng)方面、節點(diǎn)管理模式等手段實(shí)現了低功耗的WiFi 系統。

　　2 WIFI 硬件與射頻電路低功耗設計

　　本設計采用LPC2220 微控制器作為主機端微控制器，它基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入跟蹤的ARM7TDMI-S CPU。BGW200 是一款WIFI 低功耗系統化封裝(SiP) 芯片組，具備“主機零負荷”性能，MAC 通信協(xié)議可以利用內置嵌入的ARM7 核來(lái)執行，所以不會(huì )對主處理器HOST 造成任何負荷。只有當BGW200 接收到有效數據封包時(shí)，才會(huì )觸發(fā)主處理器工作。

　　圖1 顯示了WIFI 子系統為實(shí)現低功耗目標的硬件電路設計框圖，主要包括BGW200、系統時(shí)鐘、低頻睡眠時(shí)鐘、和1.8V/3.0V 電源供應、帶通濾波器、天線(xiàn)和“與門(mén)”電路。其中用虛線(xiàn)標注的低頻睡眠時(shí)鐘和輔助RF 電路在設計中屬于可選項。設計具體細節如下：SPI2接口：考慮到SDIO 對主機資源消耗較大，設計采用SPI 接口。BGW200 分SPI1 和SPI2兩種接口，其中SPI2 是高度從接口(Slave)，通過(guò)管腳設置CSR0/SCR1 為0/0。兩個(gè)SPI 接口共享相同的數據線(xiàn)和時(shí)鐘信號線(xiàn)，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(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 子系統硬件框圖

　　供電單元設計采用了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)，基帶內核電壓范圍值(1.65V-1.95V)。因此設計依據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(guò)濾脈動(dòng)電壓抖動(dòng)影響，設計中同時(shí)采用了陶瓷電容匹配LDO 芯片。另外，為加強低功耗設計實(shí)現，設計用了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。

　　主系統時(shí)鐘和睡眠時(shí)鐘。BGW200 工作要求兩個(gè)時(shí)鐘，主系統時(shí)鐘44MHz(10ppm) 和32KHz 的睡眠時(shí)鐘。在嵌入式設計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 的標準阻抗，

　　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。在設計中，借助網(wǎng)絡(luò )分析儀工具的幫助，設計了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 參數值取決于PCB(FR4) 介材特性和電子料的布板。天線(xiàn)設計采用了Johanson 公司的型號2450AT45A100，(最大輸入功率：500mW ;天線(xiàn)峰值增益：0.5dBi ;回波損耗：9.5dB)。

　　3 WIFI 底層驅動(dòng)移植與節電模式算法

　　BGW200 芯片提供WinCE5.0 和Linux2.4 內核的標準程序代碼，分別基于TI OMAP/ Intel Bulverde/ 嵌入式平臺。它的底層軟件架構分主機(Host) 和從機(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)固化在芯片內部。

　　3.1 底層驅動(dòng)架構分析

　　圖2 表示了Host 主要的功能模塊：

　　客戶(hù)機端的驅動(dòng)(Client Driver)該層主要提供主機的操作系統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，它將調用HHAL層的API 參數，對于不同的操作系統OS，該部分驅動(dòng)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(gè)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，提供高層次的數據處理。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(xiě)等操作，需要設計具體的硬件相關(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。

　　主機操作系統抽象層(HOSAL) 該層是一個(gè)主機側操作系統的抽象接口，它提供了給HHAL的通用部分與操作系統無(wú)關(guān)的能力。該層以統一的接口支持不同的具體操作系統，目前主要有Linux和WinCE兩類(lèi)。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)的結構體初始化、內存管理、定時(shí)器、隊列、中斷、線(xiàn)程、事件和互斥鎖。

　　3.2 WIFI軟件驅動(dòng)與節電模式設計

　　本設計OS采用Linux2.4 內核，具體實(shí)現分以下幾個(gè)部分：

　　3.2.1 初始化(Initialization)

　　首先在驅動(dòng)裝載的過(guò)程中由HostDriver 調用PhgOsalRegInit()請求HOSAL層執行initialize 任務(wù)來(lái)完成內存的分配，然后執行回調函數，在回調函數中傳遞硬件相關(guān)的資源，并且注冊事件入口，創(chuàng )建事務(wù)線(xiàn)程。準備工作一旦就緒，通過(guò)調用PhgHhalInitialize() 立刻轉入HHAL 通用層的處理，在通用層中調用HhalPlatformInitPreBoot()執行硬件相關(guān)的代碼如平臺資源初始化、注冊中斷處理函數、創(chuàng )建直接內存訪(fǎng)問(wèn)通道等。這樣HHAL通用層就具備了同Target 進(jìn)行數據交換的能力。然后將Firmware 下載到Target 中，并向Target 的內部寄存器寫(xiě)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(lái)與Target 的Firmware 執行相匹配，HOST通過(guò)PhgHhalQueueMgmtReq() 給TargetT 發(fā)起一個(gè)請求，對于簡(jiǎn)單的命令與回應，通過(guò)設置和讀取TargetT 的內部寄存器來(lái)完成。如果有數據需要傳輸，Target 向HOST請求中斷，并通過(guò)直接內存訪(fǎng)問(wèn)通道DMA把數據傳輸到HOST ，再由HOST 提交給操作系統上層。建立連接的過(guò)程HOST向Target 發(fā)起SCAN、JOIN、AUTH 、ASSOC 等請求，等待Target 執行完成并返回確認，HOST收到確認后轉入在初始化階段注冊的相應事件入口，通知上層系統已經(jīng)完成連接的建立。

　　3.2.3 數據通訊(Communication)

　　數據通訊實(shí)際上通過(guò)M2S 和S2M 兩個(gè) DMA 通道來(lái)完成。發(fā)送數據同樣是調用PhgHhalQueueMgmtReq() 發(fā)起請求，待Target 準備就緒，調用HhalPlatformM2SDma()將數據發(fā)送到Target 中，再由Target 轉換為RF 信號向無(wú)線(xiàn)連接點(diǎn)AP 發(fā)送。接收數據則是Target 由連接點(diǎn)收到RF 信號，解析為MAC 數據包，向HOST 發(fā)出中斷請求，待HOST 準備就緒，調用HhalPlatformS2MDma() 從Target 中接收數據。

　　3.2.4 節電算法軟件設計(Power Management)

　　根據移動(dòng)終端的具體運用場(chǎng)景，在底層驅動(dòng)中開(kāi)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(shí)，電源管理關(guān)閉，芯片處于完全上電狀態(tài);最大功耗節電模式(Max POWER_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，達到功耗節省最優(yōu)?？焖俟墓濍娔Ｊ?Fast POWER_SAVE )時(shí)，滿(mǎn)足在用戶(hù)固定的偵聽(tīng)間隔，達到良好的功耗節省最優(yōu)。睡眠模式(POWER_SLEEP) 時(shí)， 芯片處于關(guān)機狀態(tài)，用戶(hù)需要人工操作重新回到芯片工作狀態(tài)。本設計中驅動(dòng)裝載后默認的是ACTIVE， 同時(shí)在事務(wù)線(xiàn)程中對電源模式進(jìn)行檢測，當上層軟件需要轉換為POWER_SAVE， 驅動(dòng)仍然通過(guò)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(shí)仍進(jìn)行MAC層的處理，上層軟件可以根據數據傳輸的需求來(lái)實(shí)時(shí)切換Target 的工作模式，以達到有效節能的目標。

　　4 測試結果

　　本設計的WIFI 子系統在實(shí)際環(huán)境下進(jìn)行了功耗測試，測試用的無(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，軟件設置到最大發(fā)射功率為+16dBm，同時(shí)按照802.11b 協(xié)議規范的要求，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。測試結果如表1 所示。

　　表1 BGW200 在LPC2220/Linux2.4 系統平臺上的功耗測試

　　WIFI 子系統的待機功耗為6.36 毫瓦(100 毫秒信標間隔)和2.23 毫瓦(300 毫秒信標間隔)，實(shí)現了對WIFI 的低功耗設計要求。加上在本論文設計的包括LPC2220 微控制器作為主機端的整個(gè)系統平均待機電流為15mA， 通話(huà)的平均電流為300mA ，通常以設備采用650mA 的電池能耗下，系統的待機時(shí)間可以到48 小時(shí)，連續通話(huà)時(shí)間為3 小時(shí)。

　　5 結束語(yǔ)

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)在于：通過(guò)實(shí)際的設計研究與實(shí)驗測試對比，提出在嵌入式移動(dòng)設備中WIFI 子系統的低功耗設計方法，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。本文的低功耗設計到了多個(gè)技術(shù)層面，包括芯片分析選擇、硬件系統外圍電路架構、電源管理設計優(yōu)化、PCB 布板與射頻電路、軟件驅動(dòng)的四個(gè)節電模式。它為廣大嵌入式移動(dòng)設備企業(yè)及相關(guān)科研機構設計最終WIFI 產(chǎn)品的設計提供一種參考思路，并倡導應用節能技術(shù)，研發(fā)生產(chǎn)低能耗型產(chǎn)品當作提高企業(yè)核心競爭力的有效途徑。