礦用低功耗Wi―Fi移動(dòng)終端設計

摘要：采用低功耗的Cortex—M0內核處理器作為嵌入式開(kāi)發(fā)平臺的微處理器，設計了基于Wi—Fi技術(shù)的礦用移動(dòng)終端。在軟件設計上，根據應用和實(shí)時(shí)任務(wù)要求進(jìn)行工作模式切換，在完成Wi—Fi數據傳輸功能的同時(shí)，有效地降低了終端的系統功耗。重點(diǎn)分析了Wi—Fi移動(dòng)終端的軟硬件設計思路，尤其是在降低功耗上采取的措施。最后，給出了終端傳榆功能和功耗的實(shí)際測試結果。
關(guān)鍵詞：Wi—Fi；移動(dòng)終端；低功耗

引言
無(wú)線(xiàn)通信作為傳統礦井通信與監測的有益補充，越來(lái)越受到重視。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)指揮調度系統中的應用主要包括常規通信和應急通信。正常生產(chǎn)中的應用主要以語(yǔ)音通信為主，同時(shí)考慮數據和圖像應用，基于Wi—Fi技術(shù)的井下移動(dòng)終端，是新型的井下無(wú)線(xiàn)通信設備，Wi—Fi技術(shù)具有傳輸帶寬高、通信可靠性好、通用性強、網(wǎng)絡(luò )部署方便等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足大數據量的無(wú)線(xiàn)通信應用需求，實(shí)現井下的無(wú)線(xiàn)音視頻通信、定位和環(huán)境監測等功能。
使用固定電池供電的Wi—Fi移動(dòng)終端，如何在滿(mǎn)足通信任務(wù)的同時(shí)，降低終端設備的功耗，延長(cháng)設備的工作和待機時(shí)間，是移動(dòng)式Wi—Fi終端設備的技術(shù)瓶頸。本文提出了一種低功耗Wi—Fi移動(dòng)終端的設計思路，選用NXP公司低功耗的Cortex—M0內核處理器和Roving Networ ks公司的超低功耗Wi—Fi模組。在實(shí)現Wi—Fi無(wú)線(xiàn)數據傳輸功能的同時(shí)，通過(guò)合理的軟硬件措施，可根據不同的應用要求切換選擇不同的工作模式，從而在既定的電池能耗限定條件下，有效地延長(cháng)了移動(dòng)終端的工作和待機時(shí)間，為礦用Wi—Fi移動(dòng)終端產(chǎn)品的設計提供了一種低功耗設計方案。

1 Wi-Fi移動(dòng)終端硬件設計
本設計采用NXP公司的低功耗的Cortex—MO內核處理器LPCI227作為主控制器，其在深度睡眠模式，靜態(tài)電流為2 mA；而在深度掉電模式下，只消耗nA級的靜態(tài)電流。RN171是一款超低功耗Wi—Fi模組，深度睡眠模式下，整個(gè)模組靜態(tài)電流僅為4μA。它包含2．4 GHz射頻電路、32位SPARC(可擴充處理器架構)處理器、完整的TCP／IP協(xié)議棧、電源管理和模擬傳感接口，具有“主機零負荷”的性能。網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議可以利用其內置的32位SPARC處理器來(lái)執行，所以不會(huì )對主控制器造成任何負擔。

圖1為Wi—Fi移動(dòng)終端的總體硬件設計框圖，主要包括Cortex—M0內核鍰控制器、Wi—Fi模組RN171，主時(shí)鐘、低頻睡眠時(shí)鐘和3 V的電源供應。RN171通過(guò)SPI或者UART接口與主控制器進(jìn)行數據通信，主機通過(guò)UART口來(lái)控制RN171的各項操作和數據傳輸。
供電單元采用LDO降壓芯片，在設計時(shí)考慮了芯片的成本、最大電流負荷、電源輸入／輸出效率和噪聲、輸入電壓范圍、輸出電壓精度和保護特性，尤其把LDO的靜態(tài)電流作為低功耗供電單元設計的重點(diǎn)因素，采用TOREX公司的XC62FP3002?？紤]到陶瓷電容有較優(yōu)的ESR特性，可以過(guò)濾脈動(dòng)電壓抖動(dòng)影響，設計中同時(shí)采用陶瓷電容匹配LDO芯片。
主控制器LPCI227有兩個(gè)時(shí)鐘源，12 MHz的主時(shí)鐘和32 kHz的睡眠時(shí)鐘，通過(guò)LPC1227內部的PLL(鎖相環(huán))模塊，調整合適的分頻和倍頻值，使得主控制器能工作在最高50 MHz的主頻。32 kHz的睡眠時(shí)鐘，在移動(dòng)終端進(jìn)入低功耗模式時(shí)提供時(shí)鐘基準，很大程度地降低了控制器功耗。LPC1227通過(guò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)喚醒終端，進(jìn)入正常工作模式。
由于RN171的RF端口已經(jīng)有50 Ω的標準阻抗，可以將一個(gè)50 Ω的阻抗天線(xiàn)直接連接到RF信號源端。在設計中，借助網(wǎng)絡(luò )分析儀的幫助，設計了匹配的π型濾波器，以得到更高帶寬性能的射頻信號接收性能和最佳的駐波比。具體的LC參數值取決于PCB介質(zhì)特性和電子料的布板。天線(xiàn)設計采用Roving Networks公司官方推薦的PCB走線(xiàn)的布線(xiàn)方式，Roving Networks公司提供了完整的PCB天線(xiàn)的走線(xiàn)方式和尺寸。