嵌入式移動終端內置WIFI 的低功耗設計

　　1 引言

　　嵌入式設備是無線通信最重要的應用領域。自2007 年開始，全球Wi-Fi（Wireless Fidelity） 市場高速持續增長，銷量達到2.8 億套。低功耗的無線通信軟硬件設計是嵌入式移動設備重要的研究內容。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。而從現實應用看，嵌入式移動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間。因此，解決功率消耗對提高嵌入式WIFI 移動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，通過合理的設計系統硬件、WIFI 底層的軟件驅動方面、節點管理模式等手段實現了低功耗的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 低功耗系統化封裝(SiP) 芯片組，具備“主機零負荷”性能，MAC 通信協議可以利用內置嵌入的ARM7 核來執行，所以不會對主處理器HOST 造成任何負荷。只有當BGW200 接收到有效數據封包時，才會觸發主處理器工作。

　　圖1 顯示了WIFI 子系統為實現低功耗目標的硬件電路設計框圖，主要包括BGW200、系統時鐘、低頻睡眠時鐘、和1.8V/3.0V 電源供應、帶通濾波器、天線和“與門”電路。其中用虛線標注的低頻睡眠時鐘和輔助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），通過管腳設置CSR0/SCR1 為0/0。兩個SPI 接口共享相同的數據線和時鐘信號線，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）。考慮到陶瓷電容有最優的ESR 特性過濾脈動電壓抖動影響，設計中同時采用了陶瓷電容匹配LDO 芯片。另外，為加強低功耗設計實現，設計用了LPC2220 主控制器的一個GPIO 口來控制BGW200 的開/關狀態來降低功耗。

　　主系統時鐘和睡眠時鐘。BGW200 工作要求兩個時鐘，主系統時鐘44MHz（10ppm） 和32KHz 的睡眠時鐘。在嵌入式設計中都可以共享主處理器LPC2220 的時鐘資源，其中BGW200 的GPIO[4]通過并聯電容直接連到睡眠時鐘。

　　2.4GHz 射頻匹配電路。理想狀態下，由于BGW200 的RF 端口已經是50? 的標準阻抗，

　　2.45GHz 的天線能夠通過50? 的微帶線直接連接到BGW200 的天線端口。在設計中，借助網絡分析儀工具的幫助，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。天線設計采用了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 底層驅動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） 兩個部分，其中Target 是指BGW200 的MAC 層，相關的MAC 協議已經固化在芯片內部。

　　3.1 底層驅動架構分析

　　圖2 表示了Host 主要的功能模塊

　　客戶機端的驅動（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，該部分驅動要做重新移植。主機端硬件抽象層（HHAL） 該層是服務于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，需要設計具體的硬件相關資源，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關的能力。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。該模塊主要包含支持HHAL運行的相關OS的API。具體包括：OS相關的結構體初始化、內存管理、定時器、隊列、中斷、線程、事件和互斥鎖。

　　3.2 WIFI軟件驅動與節電模式設計

　　本設計OS采用Linux2.4 內核，具體實現分以下幾個部分：

　　3.2.1 初始化（Initialization）

　　首先在驅動裝載的過程中由HostDriver 調用PhgOsalRegInit()請求HOSAL層執行initialize 任務來完成內存的分配，然后執行回調函數，在回調函數中傳遞硬件相關的資源，并且注冊事件入口，創建事務線程。準備工作一旦就緒，通過調用PhgHhalInitialize（） 立刻轉入HHAL 通用層的處理，在通用層中調用HhalPlatformInitPreBoot()執行硬件相關的代碼如平臺資源初始化、注冊中斷處理函數、創建直接內存訪問通道等。這樣HHAL通用層就具備了同Target 進行數據交換的能力。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通用層中已經定義了大量MIB命令字來與Target 的Firmware 執行相匹配，HOST通過PhgHhalQueueMgmtReq() 給TargetT 發起一個請求，對于簡單的命令與回應，通過設置和讀取TargetT 的內部寄存器來完成。如果有數據需要傳輸，Target 向HOST請求中斷，并通過直接內存訪問通道DMA把數據傳輸到HOST ，再由HOST 提交給操作系統上層。建立連接的過程HOST向Target 發起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，通知上層系統已經完成連接的建立。

　　3.2.3 數據通訊（Communication）

　　數據通訊實際上通過M2S 和S2M 兩個 DMA 通道來完成。發送數據同樣是調用PhgHhalQueueMgmtReq() 發起請求，待Target 準備就緒，調用HhalPlatformM2SDma()將數據發送到Target 中，再由Target 轉換為RF 信號向無線連接點AP 發送。接收數據則是Target 由連接點收到RF 信號，解析為MAC 數據包，向HOST 發出中斷請求，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）

　　根據移動終端的具體運用場景，在底層驅動中開發了ACTIVE 、Max POWER_SAVE 、Fast POWER_SAVE 、POWER_SLEEP四種電源管理模式。工作模式（Active Mode ）時，電源管理關閉，芯片處于完全上電狀態；最大功耗節電模式（Max POWER_SAVE ）時，滿足在用戶可以選擇的偵聽間隔最大程度內，達到功耗節省最優。快速功耗節電模式（Fast POWER_SAVE ）時，滿足在用戶固定的偵聽間隔，達到良好的功耗節省最優。睡眠模式（POWER_SLEEP） 時， 芯片處于關機狀態，用戶需要人工操作重新回到芯片工作狀態。本設計中驅動裝載后默認的是ACTIVE， 同時在事務線程中對電源模式進行檢測，當上層軟件需要轉換為POWER_SAVE， 驅動仍然通過PhgHhalQueueMgmtReq() 向Target 發起請求，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，上層軟件可以根據數據傳輸的需求來實時切換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 子系統在實際環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，軟件設置到最大發射功率為＋16dBm，同時按照802.11b 協議規范的要求，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系統平均待機電流為15mA， 通話的平均電流為300mA ，通常以設備采用650mA 的電池能耗下，系統的待機時間可以到48 小時，連續通話時間為3 小時。

　　5 結束語

　　本文作者創新點在于：通過實際的設計研究與實驗測試對比，提出在嵌入式移動設備中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技術層面，包括芯片分析選擇、硬件系統外圍電路架構、電源管理設計優化、PCB 布板與射頻電路、軟件驅動的四個節電模式。它為廣大嵌入式移動設備企業及相關科研機構設計最終WIFI 產品的設計提供一種參考思路，并倡導應用節能技術，研發生產低能耗型產品當作提高企業核心競爭力的有效途徑。