嵌入式移动终端内置WIFI 的低功耗设计

1 引言

嵌入式设备是无线通信最重要的应用领域。自2007 年开始，全球Wi-Fi（Wireless Fidelity） 市场高速持续增长，销量达到2.8 亿套。低功耗的无线通信软硬件设计是嵌入式移动设备重要的研究内容。仍以Wi-Fi 为例，若采用飞思卡尔（Freescale）的WIFI 模组和嵌入式微处理器MCF5249 ，考虑通常手机的电池容量，则通话时间仅为1～2 小时，待机时间也仅有20～26 小时。而从现实应用看，嵌入式移动设备中电池能量有限，在充电后至少应该保障一天的使用时间。因此，解决功率消耗对提高嵌入式WIFI 移动设备的可用性具有重要意义。

本文提出了一种在嵌入式移动设备中WIFI 子系统的低功耗设计思路，芯片采用恩智浦公司的BGW200 模块，通过合理的设计系统硬件、WIFI 底层的软件驱动方面、节点管理模式等手段实现了低功耗的WiFi 系统。

2 WIFI 硬件与射频电路低功耗设计

本设计采用LPC2220 微控制器作为主机端微控制器，它基于一个支持实时仿真和嵌入跟踪的ARM7TDMI-S CPU。BGW200 是一款WIFI 低功耗系统化封装(SiP) 芯片组，具备“主机零负荷”性能，MAC 通信协议可以利用内置嵌入的ARM7 核来执行，所以不会对主处理器HOST 造成任何负荷。只有当BGW200 接收到有效数据封包时，才会触发主处理器工作。

图1 显示了WIFI 子系统为实现低功耗目标的硬件电路设计框图，主要包括BGW200、系统时钟、低频睡眠时钟、和1.8V/3.0V 电源供应、带通滤波器、天线和“与门”电路。其中用虚线标注的低频睡眠时钟和辅助RF 电路在设计中属于可选项。设计具体细节如下：SPI2接口：考虑到SDIO 对主机资源消耗较大，设计采用SPI 接口。BGW200 分SPI1 和SPI2两种接口，其中SPI2 是高度从接口（Slave），通过管脚设置CSR0/SCR1 为0/0。两个SPI 接口共享相同的数据线和时钟信号线，但是具有不同的片选信号，SPI1 使用GPIO[10] 作为片选信号，SPI2 使用SPI_SS_N（GPIO[6]）。SPI2 接口操作独立于总线时钟，最高可以工作到66MHz 。SPI2 的IO 接口采用VDD3.3 供电（2.7V 到3.6V）。

图1  WIFI 子系统硬件框图

供电单元设计采用了LDO 降压芯片，由于BGW200 分两种电压：射频部分电压范围值（2.7V-3.6V），基带内核电压范围值（1.65V-1.95V）。因此设计依据的因素考虑了芯片的成本、电平值和最大电流负荷、电源输入输出效率和噪声、输入电压范围、输出电压精度以及保护特性，采用了TPS73630（3.0V，400mA ）和TPS73218（1.8V，250mA）。考虑到陶瓷电容有最优的ESR 特性过滤脉动电压抖动影响，设计中同时采用了陶瓷电容匹配LDO 芯片。另外，为加强低功耗设计实现，设计用了LPC2220 主控制器的一个GPIO 口来控制BGW200 的开/关状态来降低功耗。

主系统时钟和睡眠时钟。BGW200 工作要求两个时钟，主系统时钟44MHz（10ppm） 和32KHz 的睡眠时钟。在嵌入式设计中都可以共享主处理器LPC2220 的时钟资源，其中BGW200 的GPIO[4]通过并联电容直接连到睡眠时钟。

2.4GHz 射频匹配电路。理想状态下，由于BGW200 的RF 端口已经是50Ω 的标准阻抗，

2.45GHz 的天线能够通过50Ω 的微带线直接连接到BGW200 的天线端口。在设计中，借助网络分析仪工具的帮助，设计了LC 匹配电路以达到更高带宽性能的射频信号接收性能和最佳的驻波比（回波损耗），具体的LC 参数值取决于PCB（FR4） 介材特性和电子料的布板。天线设计采用了Johanson 公司的型号2450AT45A100，（最大输入功率：500mW ；天线峰值增益：0.5dBi ；回波损耗：9.5dB）。

3 WIFI 底层驱动移植与节电模式算法

BGW200 芯片提供WinCE5.0 和Linux2.4 内核的标准程序代码，分别基于TI OMAP/ Intel Bulverde/ 嵌入式平台。它的底层软件架构分主机（Host） 和从机（Target） 两个部分，其中Target 是指BGW200 的MAC 层，相关的MAC 协议已经固化在芯片内部。

3.1 底层驱动架构分析

图2 表示了Host 主要的功能模块：

客户机端的驱动（Client Driver）该层主要提供主机的操作系统OS、上层运行程序、以及主机端硬件抽象层（HHAL: Host Hardware Abstraction Layer ）之间的连接，它将调用HHAL层的API 参数，对于不同的操作系统OS，该部分驱动要做重新移植。主机端硬件抽象层（HHAL） 该层是服务于SPI/SDIO 接口的主机端抽象接口，它分为两个部分，通用部分(Common) 和平台(Platform)相关部分。通用部分对所有的平台都是相同的，提供高层次的数据处理。而平台相关部分则依具体的硬件平台而定，需要提供底层对通信接口(SPI)的读、写等操作，需要设计具体的硬件相关资源，如硬件中断、DMA通道等。

可配置效用层（Configuration Utilities） 针对不同的平台，提供了WLAN的相应配置工具，例如在WinCE上的ZeroConfig ，或者Linux平台的Wireless Extension 包。

主机操作系统抽象层（HOSAL） 该层是一个主机侧操作系统的抽象接口，它提供了给HHAL的通用部分与操作系统无关的能力。该层以统一的接口支持不同的具体操作系统，目前主要有Linux和WinCE两类。该模块主要包含支持HHAL运行的相关OS的API。具体包括：OS相关的结构体初始化、内存管理、定时器、队列、中断、线程、事件和互斥锁。

 3.2 WIFI软件驱动与节电模式设计
本设计OS采用Linux2.4 内核，具体实现分以下几个部分：

3.2.1 初始化（Initialization）

首先在驱动装载的过程中由HostDriver 调用PhgOsalRegInit()请求HOSAL层执行initialize 任务来完成内存的分配，然后执行回调函数，在回调函数中传递硬件相关的资源，并且注册事件入口，创建事务线程。准备工作一旦就绪，通过调用PhgHhalInitialize（） 立刻转入HHAL 通用层的处理，在通用层中调用HhalPlatformInitPreBoot()执行硬件相关的代码如平台资源初始化、注册中断处理函数、创建直接内存访问通道等。这样HHAL通用层就具备了同Target 进行数据交换的能力。然后将Firmware 下载到Target 中，并向Target 的内部寄存器写入START 指令，等待Target 的ACK确认信息，初始化工作即宣告完成。

 3.2.2 建立连接（Connection）

在HHAL通用层中已经定义了大量MIB命令字来与Target 的Firmware 执行相匹配，HOST通过PhgHhalQueueMgmtReq() 给TargetT 发起一个请求，对于简单的命令与回应，通过设置和读取TargetT 的内部寄存器来完成。如果有数据需要传输，Target 向HOST请求中断，并通过直接内存访问通道DMA把数据传输到HOST ，再由HOST 提交给操作系统上层。建立连接的过程HOST向Target 发起SCAN、JOIN、AUTH 、ASSOC 等请求，等待Target 执行完成并返回确认，HOST收到确认后转入在初始化阶段注册的相应事件入口，通知上层系统已经完成连接的建立。

 3.2.3 数据通讯（Communication）

数据通讯实际上通过M2S 和S2M 两个 DMA 通道来完成。发送数据同样是调用PhgHhalQueueMgmtReq() 发起请求，待Target 准备就绪，调用HhalPlatformM2SDma()将数据发送到Target 中，再由Target 转换为RF 信号向无线连接点AP 发送。接收数据则是Target 由连接点收到RF 信号，解析为MAC 数据包，向HOST 发出中断请求，待HOST 准备就绪，调用HhalPlatformS2MDma() 从Target 中接收数据。

 3.2.4 节电算法软件设计（Power Management）

根据移动终端的具体运用场景，在底层驱动中开发了ACTIVE 、Max POWER_SAVE 、Fast POWER_SAVE 、POWER_SLEEP四种电源管理模式。工作模式（Active Mode ）时，电源管理关闭，芯片处于完全上电状态；最大功耗节电模式（Max POWER_SAVE ）时，满足在用户可以选择的侦听间隔最大程度内，达到功耗节省最优。快速功耗节电模式（Fast POWER_SAVE ）时，满足在用户固定的侦听间隔，达到良好的功耗节省最优。睡眠模式（POWER_SLEEP） 时， 芯片处于关机状态，用户需要人工操作重新回到芯片工作状态。本设计中驱动装载后默认的是ACTIVE， 同时在事务线程中对电源模式进行检测，当上层软件需要转换为POWER_SAVE， 驱动仍然通过PhgHhalQueueMgmtReq() 向Target 发起请求，使得Target 切换到POWER_SAVE 工作模式，在这种模式下，BGW200 只消耗很少的电能，同时仍进行MAC层的处理，上层软件可以根据数据传输的需求来实时切换Target 的工作模式，以达到有效节能的目标。

4 测试结果
本设计的WIFI 子系统在实际环境下进行了功耗测试，测试用的无线连接点AP 用的是Linksys 公司的WRT54G， 无线链路的距离是1 米，软件设置到最大发射功率为＋16dBm，同时按照802.11b 协议规范的要求，分别在四种不同速率1M/2M/5.5M/11M 情况下测量出发射和接收功耗。测试结果如表1 所示。

表1  BGW200 在LPC2220/Linux2.4 系统平台上的功耗测试

 WIFI 子系统的待机功耗为6.36 毫瓦（100 毫秒信标间隔）和2.23 毫瓦（300 毫秒信标间隔），实现了对WIFI 的低功耗设计要求。加上在本论文设计的包括LPC2220 微控制器作为主机端的整个系统平均待机电流为15mA， 通话的平均电流为300mA ，通常以设备采用650mA 的电池能耗下，系统的待机时间可以到48 小时，连续通话时间为3 小时。
5 结束语
本文作者创新点在于：通过实际的设计研究与实验测试对比，提出在嵌入式移动设备中WIFI 子系统的低功耗设计方法，其中与WIFI 连接的HOST 主机端（嵌入式微处理器）并不局限于特定的型号。本文的低功耗设计到了多个技术层面，包括芯片分析选择、硬件系统外围电路架构、电源管理设计优化、PCB 布板与射频电路、软件驱动的四个节电模式。它为广大嵌入式移动设备企业及相关科研机构设计最终WIFI 产品的设计提供一种参考思路，并倡导应用节能技术，研发生产低能耗型产品当作提高企业核心竞争力的有效途径。