礦用低功耗Wi-Fi移動終端設(shè)計(jì)＊

張科帆

（天地（常州）自動化股份有限公司，常州213015）

引 言

無線通信作為傳統(tǒng)礦井通信與監(jiān)測的有益補(bǔ)充，越來越受到重視。無線通信技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)指揮調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括常規(guī)通信和應(yīng)急通信。正常生產(chǎn)中的應(yīng)用主要以語音通信為主，同時考慮數(shù)據(jù)和圖像應(yīng)用?；赪i-Fi技術(shù)的井下移動終端，是新型的井下無線通信設(shè)備，Wi-Fi技術(shù)具有傳輸帶寬高、通信可靠性好、通用性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)部署方便等特點(diǎn)，可以滿足大數(shù)據(jù)量的無線通信應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)井下的無線音視頻通信、定位和環(huán)境監(jiān)測等功能。

使用固定電池供電的Wi-Fi移動終端，如何在滿足通信任務(wù)的同時，降低終端設(shè)備的功耗，延長設(shè)備的工作和待機(jī)時間，是移動式Wi-Fi終端設(shè)備的技術(shù)瓶頸。本文提出了一種低功耗Wi-Fi移動終端的設(shè)計(jì)思路，選用NXP公司低功耗的Cortex-M0內(nèi)核處理器和Roving Networks公司的超低功耗Wi-Fi模組。在實(shí)現(xiàn)Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸功能的同時，通過合理的軟硬件措施，可根據(jù)不同的應(yīng)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，有效地延長了移動終端的工作和待機(jī)時間，為礦用Wi-Fi移動終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了一種低功耗設(shè)計(jì)方案。

1 Wi-Fi移動終端硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用NXP公司的低功耗的Cortex-M0內(nèi)核處理器LPC1227作為主控制器，其在深度睡眠模式，靜態(tài)電流為2mA；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，整個模組靜態(tài)電流僅為4μA。它包含2.4GHz射頻電路、32位SPARC（可擴(kuò)充處理器架構(gòu)）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(jī)零負(fù)荷”的性能。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議可以利用其內(nèi)置的32 位SPARC處理器來執(zhí)行，所以不會對主控制器造成任何負(fù)擔(dān)。

圖1為Wi-Fi移動終端的總體硬件設(shè)計(jì)框圖，主要包括Cortex-M0內(nèi)核微控制器、Wi-Fi模組RN171、主時鐘、低頻睡眠時鐘和3V 的電源供應(yīng)。RN171通過SPI或者UART 接口與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主機(jī)通過UART口來控制RN171的各項(xiàng)操作和數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

供電單元采用LDO 降壓芯片，在設(shè)計(jì)時考慮了芯片的成本、最大電流負(fù)荷、電源輸入／輸出效率和噪聲、輸入電壓范圍、輸出電壓精度和保護(hù)特性，尤其把LDO 的靜態(tài)電流作為低功耗供電單元設(shè)計(jì)的重點(diǎn)因素，采用TOREX公司的XC62FP3002。考慮到陶瓷電容有較優(yōu)的ESR 特性，可以過濾脈動電壓抖動影響，設(shè)計(jì)中同時采用陶瓷電容匹配LDO 芯片。

主控制器LPC1227有兩個時鐘源，12 MHz的主時鐘和32kHz的睡眠時鐘。通過LPC1227內(nèi)部的PLL（鎖相環(huán)）模塊，調(diào)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。32kHz的睡眠時鐘，在移動終端進(jìn)入低功耗模式時提供時鐘基準(zhǔn)，很大程度地降低了控制器功耗。LPC1227 通過實(shí)時時鐘來喚醒終端，進(jìn)入正常工作模式。

由于RN171的RF端口已經(jīng)有50Ω 的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，可以將一個50Ω 的阻抗天線直接連接到RF信號源端。在設(shè)計(jì)中，借助網(wǎng)絡(luò)分析儀的幫助，設(shè)計(jì)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(shù)值取決于PCB介質(zhì)特性和電子料的布板。天線設(shè)計(jì)采用Roving Networks公司官方推薦的PCB走線的布線方式，Roving Networks公司提供了完整的PCB天線的走線方式和尺寸。

2 Wi-Fi移動終端軟件設(shè)計(jì)

Wi-Fi模組RN171向外提供UART、SPI、GPIO 接口與外部主機(jī)進(jìn)行通信，外部主機(jī)可以通過RN171 提供給用戶的串口命令，或者通過SPI協(xié)議訪問RN171相應(yīng)地址寄存器這兩種方式對RN171 進(jìn)行訪問控制和數(shù)據(jù)傳輸。完整的TCP／IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、Wi-Fi模組的實(shí)時時鐘系統(tǒng)、電源管理、Wi-Fi密碼加速器都固化在模組內(nèi)部。

2.1 軟件架構(gòu)分析

Wi-Fi移動終端的軟件架構(gòu)如圖2所示。

Wi-Fi移動終端的軟件架構(gòu)主要包括硬件接口驅(qū)動層、任務(wù)調(diào)度抽象層和應(yīng)用層這3層。主機(jī)控制器在軟件底層通過RN171 Wi-Fi模組所提供的SPI、UART 和GPIO 硬件接口對Wi-Fi模組進(jìn)行訪問控制操作以及Wi-Fi數(shù)據(jù)的傳輸。在硬件接口驅(qū)動層，主機(jī)主要完成SPI、UART 和GPIO外設(shè)的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)，這3個外設(shè)程序設(shè)計(jì)都是通過中斷方式對外設(shè)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，減少了主控制器的等待時間，提高了執(zhí)行效率。

在任務(wù)調(diào)度層，通過硬件接口驅(qū)動層的外設(shè)驅(qū)動程序接口，在程序后臺建立了4個調(diào)度任務(wù)，分別處理Wi-Fi數(shù)據(jù)的收發(fā)和基于低功耗要求的睡眠任務(wù)，以及人機(jī)交互等一些輔助功能，并向應(yīng)用層提供相應(yīng)的任務(wù)接口。主機(jī)的后臺程序通過輪詢方式監(jiān)測任務(wù)的發(fā)生并進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理內(nèi)容包括任務(wù)結(jié)構(gòu)體和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)體的初始化、任務(wù)的分配和管理、內(nèi)存管理、任務(wù)時間片分配等。

在本終端軟件的應(yīng)用層，依據(jù)任務(wù)調(diào)度層提供的相應(yīng)軟件接口，可以進(jìn)行多種數(shù)據(jù)應(yīng)用和電源管理應(yīng)用設(shè)計(jì)。由于RN171支持IEEE 802.11b／g協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提供高達(dá)54 MHz的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，并能獲取其所在AP（接入點(diǎn)）的AP MAC地址、RSSI（接收信號強(qiáng)度）等Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信息，因此，本終端可以實(shí)現(xiàn)Wi-Fi終端的區(qū)域定位、監(jiān)測監(jiān)控、多媒體流（語音、視頻）數(shù)據(jù)傳輸?shù)葦?shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用功能。

2.2 建立連接

Wi-Fi模組RN171有兩種建立連接的方式：一是連接固定SSID的AP；二是搜索接收范圍內(nèi)的所有AP，優(yōu)先連接RSSI強(qiáng)度高的AP。當(dāng)成功連接AP后，會通過Wi-Fi模組Flash中存儲的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置信息進(jìn)行設(shè)置，建立連接的設(shè)置信息包括服務(wù)器IP地址（Remote IP）、服務(wù)器端口號（Remote Port）、網(wǎng)關(guān)IP地址、靜態(tài)IP方式／DHCP服務(wù)器IP 自動分配、終端自身IP 地址、終端端口號、TCP／UDP通信協(xié)議承載。

圖2 軟件架構(gòu)示意圖

2.3 數(shù)據(jù)通信

Wi-Fi模組RN171根據(jù)設(shè)置的TCP／UDP 通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過其內(nèi)置的32 位SPARC 處理器來執(zhí)行。只有當(dāng)接收到有效的數(shù)據(jù)包時，才會通過UART 接口把數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)，觸發(fā)主機(jī)的接收功能。當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時，主機(jī)通過UART 接口把數(shù)據(jù)傳送給Wi-Fi模組，Wi-Fi模組會根據(jù)數(shù)據(jù)的承載協(xié)議按照設(shè)置的通信參數(shù)把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.4 低功耗軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)移動終端的具體運(yùn)用場合，在軟件設(shè)計(jì)上定義了連續(xù)工作模式（ActiveMode）、間歇性工作模式（Run＿Intermitent Mode），以及深度睡眠模式（Deepsleep Mode）3種模式，3種模式之間可以根據(jù)應(yīng)用需求相互轉(zhuǎn)換。連續(xù)工作模式時，低功耗電源管理關(guān)閉，主控芯片、Wi-Fi模組，以及輔助功能芯片都處于正常運(yùn)行狀態(tài)，終端的功耗達(dá)到最大值。當(dāng)需要傳輸多媒體流數(shù)據(jù)時，通信過程中數(shù)據(jù)不能間斷，移動終端就處于連續(xù)工作模式以滿足應(yīng)用需求，當(dāng)通信任務(wù)完成后，終端就進(jìn)入深度睡眠模式以節(jié)省功耗，并通過按鍵的外部中斷來喚醒主控制器以發(fā)起多媒體流的通信任務(wù)。間歇性工作模式時，主機(jī)通過定時器外設(shè)控制Wi-Fi模組在一個固定時間內(nèi)發(fā)送／接收數(shù)據(jù)，剩余的大部分時間，終端上的所有芯片都處于低功耗的睡眠模式。主控制器在低頻率（32kHz）下進(jìn)入掉電模式，通過實(shí)時時鐘自動喚醒，然后由主機(jī)喚醒Wi-Fi模組和其他功能模塊。在完成周期性數(shù)據(jù)通信的同時，最大程度地降低終端功耗。對于類似于定位系統(tǒng)應(yīng)用這種通信數(shù)據(jù)量少且只需要周期性觸發(fā)通信的應(yīng)用場合，Wi-Fi終端應(yīng)切換為這種工作模式，以降低功耗。

3 測試結(jié)果

本設(shè)計(jì)以無線定位應(yīng)用為例，利用自行開發(fā)的服務(wù)器端測試軟件測試了移動終端的定位數(shù)據(jù)的雙向傳輸功能，并對定位過程中不同工作狀態(tài)的靜態(tài)電流進(jìn)行了測試。

3.1 數(shù)傳功能測試

程序流程如圖3所示，測試結(jié)果如圖4所示。測試分析如下：

①定位應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸通過UDP協(xié)議承載。

②服務(wù)器端以1s為定時周期，廣播服務(wù)器IP 和端口號。服務(wù)器在接收到終端定位數(shù)據(jù)后，立刻發(fā)送一幀數(shù)據(jù)予以應(yīng)答。

圖3 程序流程

圖4 測試結(jié)果

③移動終端在收到UDP 廣播幀（包括服務(wù)器IP 和端口號）后，通過Set IP Remote和Set remote port命令對Wi-Fi模組的發(fā)送對象的IP和端口進(jìn)行設(shè)置和更新。

④移動終端所發(fā)送的定位數(shù)據(jù)幀中主要包含AP MAC地址、接收信號強(qiáng)度RSSI等定位信息，以及當(dāng)前終端環(huán)境溫度和終端運(yùn)動靜止?fàn)顟B(tài)的監(jiān)測信息。移動終端在發(fā)送完一幀定位數(shù)據(jù)后，開啟1s的接收時間窗口，等待服務(wù)器應(yīng)答，并對服務(wù)器應(yīng)答數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。

如圖3中測試結(jié)果所示，Wi-Fi移動終端與服務(wù)器端能在固定的周期內(nèi)穩(wěn)定可靠地進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)采取合理的軟硬件設(shè)計(jì)思路和方法，實(shí)現(xiàn)了Wi-Fi移動終端的數(shù)傳功能。

3.2 功耗測試

本設(shè)計(jì)以無線定位應(yīng)用為例，在實(shí)際環(huán)境下進(jìn)行了功耗測試。測試用的AP 是TP-LINKTL-WR740N 型150 MHz無線路由器，無線鏈路距離為3 m，Wi-Fi模組的最大發(fā)射功率為＋12dBm，通信速率分別為1 MHz、5 MHz、11 MHz，基于IEEE 802.11b協(xié)議規(guī)范，數(shù)據(jù)通過UDP承載。在LDO 輸出端串入1Ω 小電阻，用示波器測量出電阻端電壓，并計(jì)算出整個終端在不同工作模式下的靜態(tài)電流，功耗測試結(jié)果如表1所列。

表1 功耗測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，Wi-Fi便攜式終端在深度睡眠模式下靜態(tài)電流能達(dá)到10μA 左右；在接收和發(fā)送過程中，整個終端的靜態(tài)電流在200mA 以內(nèi)。在既定的電池能耗情況下，實(shí)現(xiàn)定位功能的同時，降低了終端系統(tǒng)的整體功耗，可以滿足井下移動終端的功耗要求。

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