矿用低功耗Wi—Fi移动终端设计

摘要：采用低功耗的Cortex—M0内核处理器作为嵌入式开发平台的微处理器，设计了基于Wi—Fi技术的矿用移动终端。在软件设计上，根据应用和实时任务要求进行工作模式切换，在完成Wi—Fi数据传输功能的同时，有效地降低了终端的系统功耗。重点分析了Wi—Fi移动终端的软硬件设计思路，尤其是在降低功耗上采取的措施。最后，给出了终端传榆功能和功耗的实际测试结果。
关键词：Wi—Fi；移动终端；低功耗

引言
    无线通信作为传统矿井通信与监测的有益补充，越来越受到重视。无线通信技术在煤矿安全生产指挥调度系统中的应用主要包括常规通信和应急通信。正常生产中的应用主要以语音通信为主，同时考虑数据和图像应用，基于Wi—Fi技术的井下移动终端，是新型的井下无线通信设备，Wi—Fi技术具有传输带宽高、通信可靠性好、通用性强、网络部署方便等特点，可以满足大数据量的无线通信应用需求，实现井下的无线音视频通信、定位和环境监测等功能。
    使用固定电池供电的Wi—Fi移动终端，如何在满足通信任务的同时，降低终端设备的功耗，延长设备的工作和待机时间，是移动式Wi—Fi终端设备的技术瓶颈。本文提出了一种低功耗Wi—Fi移动终端的设计思路，选用NXP公司低功耗的Cortex—M0内核处理器和Roving Networ ks公司的超低功耗Wi—Fi模组。在实现Wi—Fi无线数据传输功能的同时，通过合理的软硬件措施，可根据不同的应用要求切换选择不同的工作模式，从而在既定的电池能耗限定条件下，有效地延长了移动终端的工作和待机时间，为矿用Wi—Fi移动终端产品的设计提供了一种低功耗设计方案。

1 Wi-Fi移动终端硬件设计
    本设计采用NXP公司的低功耗的Cortex—MO内核处理器LPCI227作为主控制器，其在深度睡眠模式，静态电流为2 mA；而在深度掉电模式下，只消耗nA级的静态电流。RN171是一款超低功耗Wi—Fi模组，深度睡眠模式下，整个模组静态电流仅为4μA。它包含2．4 GHz射频电路、32位SPARC(可扩充处理器架构)处理器、完整的TCP／IP协议栈、电源管理和模拟传感接口，具有“主机零负荷”的性能。网络通信协议可以利用其内置的32位SPARC处理器来执行，所以不会对主控制器造成任何负担。

    图1为Wi—Fi移动终端的总体硬件设计框图，主要包括Cortex—M0内核锾控制器、Wi—Fi模组RN171，主时钟、低频睡眠时钟和3 V的电源供应。RN171通过SPI或者UART接口与主控制器进行数据通信，主机通过UART口来控制RN171的各项操作和数据传输。
    供电单元采用LDO降压芯片，在设计时考虑了芯片的成本、最大电流负荷、电源输入／输出效率和噪声、输入电压范围、输出电压精度和保护特性，尤其把LDO的静态电流作为低功耗供电单元设计的重点因素，采用TOREX公司的XC62FP3002。考虑到陶瓷电容有较优的ESR特性，可以过滤脉动电压抖动影响，设计中同时采用陶瓷电容匹配LDO芯片。
    主控制器LPCI227有两个时钟源，12 MHz的主时钟和32 kHz的睡眠时钟，通过LPC1227内部的PLL(锁相环)模块，调整合适的分频和倍频值，使得主控制器能工作在最高50 MHz的主频。32 kHz的睡眠时钟，在移动终端进入低功耗模式时提供时钟基准，很大程度地降低了控制器功耗。LPC1227通过实时时钟来唤醒终端，进入正常工作模式。
    由于RN171的RF端口已经有50 Ω的标准阻抗，可以将一个50 Ω的阻抗天线直接连接到RF信号源端。在设计中，借助网络分析仪的帮助，设计了匹配的π型滤波器，以得到更高带宽性能的射频信号接收性能和最佳的驻波比。具体的LC参数值取决于PCB介质特性和电子料的布板。天线设计采用Roving Networks公司官方推荐的PCB走线的布线方式，Roving Networks公司提供了完整的PCB天线的走线方式和尺寸。
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2 Wi-Fi移动终端软件设计
    Wi—Fi模组RN171向外提供UART、SPI、GPIO接口与外部主机进行通信，外部主机可以通过RN171提供给用户的串口命令，或者通过SPI协议访问RN171相应地址寄存器这两种方式对RN171进行访问控制和数据传输。完整的TCP／IP网络协议栈、Wi—Fi模组的实时时钟系统、电源管理、Wi—Fi密码加速器都固化在模组内部。
2．1 软件架构分析
    Wi—Fi移动终端的软件架构如图2所示。

    Wi—Fi移动终端的软件架构主要包括硬件接口驱动层、任务调度抽象层和应用层这3层。主机控制器在软件底层通过RN171 Wi—Fi模组所提供的SPI，UART和GPIO硬件接口对Wi—Fi模组进行访问控制操作以及Wi—Fi数据的传输。
    在硬件接口驱动层，主机主要完成SPI、UART和GPIO外设的驱动程序设计，这3个外设程序设计都是通过中断方式对外设接口进行数据访问，减少了主控制器的等待时间，提高了执行效率。
    在任务调度层，通过硬件接口驱动层的外设驱动程序接口，在程序后台建立了4个调度任务，分别处理Wi—Fi数据的收发和基于低功耗要求的睡眠任务，以及人机交互等一些辅助功能，并向应用层提供相应的任务接口。主机的后台程序通过轮询方式监测任务的发生并进行相应的处理，处理内容包括任务结构体和数据帧结构体的初始化、任务的分配和管理、内存管理、任务时间片分配等。
    在本终端软件的应用层，依据任务调度层提供的相应软件接口，可以进行多种数据应用和电源管理应用设计。由于RN171支持IEEE802．  11b／g协议标准，提供高达54MHz的数据传输带宽，并能获取其所在AP(接入点)的AP MAC地址、RSSI(接收信号强度)等Wi—Fi网络信息，因此，本终端可以实现Wi—Fi终端的区域定位、监测监控、多媒体流(语音、视频)数据传输等数据业务应用功能。
2．2 建立连接
    Wi—Fi模组RN171有两种建立连接的方式：一是连接固定SSID的AP；二是搜索接收范围内的所有AP，优先连接RSSI强度高的AP。当成功连接AP后，会通过Wi—Fi模组Flash中存储的阿络设置信息进行设置，建立连接的设置信息包括服务器IP地址(Remote IP)、服务器端口号(Remo te Port)、网关IP地址、静态IP方式／DHCP服务器IP自动分配、终端自身1P地址、终端端口号、TCP／UDP通信协议承载。
2．3 数据通信
    Wi—Fi模组RN171根据设置的TCP／UDP通信协议进行数据通信，通过其内置的32位SPARC处理器来执行。只有当接收到有效的数据包时，才会通过UART接口把数据传送给主机，触发主机的接收功能。当有数据发送时，主机通过UART接口把数据传送给Wi—Fi模组，Wi—Fi模组会根据数据的承载协议按照设置的通信参数把数据发送出去。
2．4 低功耗软件设计
    根据移动终端的具体运用场合，在软件设计上定义了连续工作模式(AetiveMode)、间歇性工作模式(Run_Intermitent Mode)，以及深度睡眠模式(Deepsleep Mode)3种模式，3种模式之间可以根据应用需求相互转换。连续工作模式时，低功耗电源管理关闭，主控芯片、Wi—Fi模组，以及辅助功能芯片都处于正常运行状态，终端的功耗达到最大值。当需要传输多媒体流数据时，通信过程中数据不能间断，移动终端就处于连续工作模式以满足应用需求，当通信任务完成后，终端就进入深度睡眠模式以节省功耗，并通过按键的外部中断来唤醒主控制器以发起多媒体流的通信任务。间歇性工作模式时，主机通过定时器外设控制Wi—Fi模组在一个固定时间内发送／接收数据，剩余的大部分时间，终端上的所有芯片都处于低功耗的睡眠模式。主控制器在低频率(32 kHz)下进入掉电模式，通过实时时钟自动唤醒，然后由主机唤醒Wi—Fi模组和其他功能模块。在完成周期性数据通信的同时，最大程度地降低终端功耗。对于类似于定位系统应用这种通信数据量少且只需要周期性触发通信的应用场合，Wi—Fi终端应切换为这种工作模式，以降低功耗。
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3 测试结果
    本设计以无线定位应用为例，利用自行开发的服务器端测试软件测试了移动终端的定位数据的双向传输功能，并对定位过程中不同工作状态的静态电流进行了测试。
3．1 数传功能测试
    程序流程如图3所示，测试结果如图4所示。测试分析如下：

    ①定位应用的数据传输通过UDP协议承载。
    ②服务器端以1 s为定时周期，广播服务器IP和端口号。服务器在接收到终端定位数据后，立刻发送一帧数据予以应答。
    ③移动终端在收到UDP广播帧(包括服务器IP和端口号)后，通过Set IP Remote和Set remote port命令对Wi—Fi模组的发送对象的IP和端口进行设置和更新。
    ④移动终端所发送的定位数据帧中主要包含APMAC地址、接收信号强度RSSI等定位信息，以及当前终端环境温度和终端运动静止状态的监测信息。移动终端在发送完一帧定位数据后，开启1 s的接收时间窗口，等待服务器应答，并对服务器应答数据进行解析处理。
    如图3中测试结果所示，Wi—Fi移动终端与服务器端能在固定的周期内稳定可靠地进行双向数据通信。实验结果表明，本设计采取合理的软硬件设计思路和方法，实现了Wi—Fi移动终端的数传功能。
3．2 功耗测试
    本设计以无线定位应用为例，在实际环境下进行了功耗测试。测试用的AP是TP-LINKTL-WR740N型150 MHz无线路由器，无线链路距离为3 m，Wi—Fi模组的最大发射功率为+12 dBm，通信速率分别为1 MHz、5MHz、11 MHz，基于IEEE 802．11b协议规范，数据通过UDP承载。在LDO输出端串入1 Ω小电阻，用示波器测量出电阻端电压，并计算出整个终端在不同工作模式下的静态电流，功耗测试结果如表1所列。

    测试结果表明，Wi—Fi便携式终端在深度睡眠模式下静态电流能达到10μA左右；在接收和发送过程中，整个终端的静态电流在200 mA以内。在既定的电池能耗情况下，实现定位功能的同时，降低了终端系统的整体功耗，可以满足井下移动终端的功耗要求。