低功耗设计论文范文

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2软件设计

数据处理接口模块的软件主要由硬件初始化、自测试程序、周期数据收发和命令响应四大功能组成。其中周期数据的收发包含消息层和数据层两个层次。消息层负责命令的辨识和数据的组织搬运，数据层负责协议的执行和发送接收等底层任务。数据层基本数据帧的格式见图4所示。这里的同步字、数据长度、校验方式由主机在初始化时确定。其中校验方式可选择两种，若采用和校验，则检验位占用1字节；若使用CRC校验，校验位占2字节。在周期数据收发的数据层中，RS422链路分为测控链路和任务链路两部分。测控链路用于检测设备的连通性和硬件的正确性，任务链路用于任务系统之间的通信。因此，将用于测控通信的链路设计为无链接协议链路，将用于任务通信的链路设计为有链接协议链路。有链接协议的任务链路的状态转移图见图5所示。任务链路的工作原理是：上电后首先进行通信测试，主端首先发送LTST，若从端回复ALTST为正常，测试完成后，转入空闲工作状态；空闲状态时主从定期进行握手操作，当主机存在发送命令时，转入消息发送状态，当从端发来数据帧前导码LHDR时主端转入消息接收状态；消息发送完成后会进行发送检查，如果从接收无误会发来ACK握手信号，当出现超时或从发来NACK信号时进行重新发送状态，重试超过门限进入通信测试状态；消息接收状态时若消息正确则进入空闲状态，若接收超时或消息错误时发送NACK通知主端重新发送，当错误次数超门限时进入通信测试状态。

3低功耗设计

简易无人机携带燃料有限，而实际任务中往往又要求其尽可能长时间的滞空，这就要求各类设备尽可能地以较小的功耗完成较多的功能。因此本文从硬件软件等不同层面设计来降低模块的功耗。降低功耗总的来说有关闭无用功能、减少无用操作和合理器件选型三个方法。在不使用DSP内部的AD、eCAN、SCI等资源时，可将对应的资源的时钟HSPCLK和LSPCLK关闭，同时不使能这些资源，以达到降低功耗的目的。作为降压型线性电源，TPS74401芯片的耗散功率PD＝（VIN－VOUT）×IOUT，即电源的转换效率取决于输入输出电压差的大小，因此在电源转换电路的设计上应在满足电源芯片的最小dropoutvoltage的情况下尽量减小LDO器件输入输出电压差，可提高转换效率减少发热功耗，本文中1．8V电源由最接近1．8V电压的3．3V电源转换而来。为保持较好的信号完整性，模块上的印制板走线阻抗均按照单端50Ω差分100Ω控制。在RS422的发送端和接收端进行阻抗匹配以优化信号质量。在发送端使用33Ω串联匹配方式，接收端采用120Ω并联匹配方式，由于正常工作时差分电平约±5V，为降低直流功耗在并联匹配电阻处串接一10pF电容，这样既满足瞬态的信号完整性要求，也可在稳态时达到隔离直流，减小匹配电阻上直流功耗的目的。详见图6所示。在软件设计方面，采用定时查询和中断接收相结合的方式，减少DSP对外设的多余操作，避免不必要的轮询操作所产生的功率消耗。本文介绍的串行数据接口板在今后的改进设计中，可以注意合理的器件选型，以达到降低功耗的目的。例如：现设计中1．8V电源转换效率为54％，今后可结合实际电流消耗状况选用合适的开关电源代替线性电源［4］，并使开关电源工作在中等或较重负载状态，可提高电源效率至80％左右；现有设计中CPLD动态功耗约为0．7W，由于该模块中逻辑占用资源并不多，因此后期可考虑用更小功耗的中小规模可编程逻辑器件替换。目前现有设计中未考虑模块的睡眠唤醒功能，今后可结合主机实际的需求，添加相应功能的电路，以降低待机功耗。

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汇聚式处理器解决嵌入式设计技术挑战

尽管嵌入式设计经过数十年的发展，在核心处理器硬件平台、嵌入式操作系统和开发工具上已经有广泛的选择，然而随着市场竞争加剧、系统日益复杂化，目标应用对系统的功能、性能、成本的要求也日趋苛刻。工程师所面临的设计挑战似乎并没有随着半导体技术的发展降低，甚至日益增高，工程师在进行方案选择时必须正确评估应用面临的挑战。

处理能力要求越来越高。系统本身的复杂功能、友好的界面设计要求、各种接口和通信需求都需要占用大量的MIPS处理能力，单一的传统MCU或ASIC很多时候难以满足系统高处理能力的需求，双芯片甚至三芯片解决方案日益增多，但随之而来的高设计复杂性、功耗和BOM(材料清单)成本让方案缺乏竞争性。此外，当前嵌入式系统设计，特别是一些新产品和功能复杂的嵌入式产品设计，要在设计周期很有限的条件下完全从零开始实现设计已经变得不现实，也不具成本效益。因此，是否能提供完善的开发工具套件、必要的软件模块、成熟的参考设计、系统设计支持，以及是否有完整的设计生态系统等，对于是否能按期高质量地完成系统设计非常关键。

标准的多样性和不确定性带来产品升级换代的顾虑。当前在各个行业都面临一些创新型应用，例如智能电表和智能视频监控等，这些应用都具有一定开创性，目前没有或尚未形成行业统一的标准，如何在保证抢占市场窗口期的先机，同时确保当前的设计满足未来变化的市场和技术需求，必须考虑方案的可扩展性和性能裕量。

低功耗的要求日益苛刻。处理器性能要求越来越高，而系统功耗要求越来越低，这几乎形成一对矛盾。然而，实际设计过程中，工程师不得不面对这种近乎矛盾的需求。随着半导体工艺技术、嵌入式处理器架构优化以及设计技术的改进，低功耗设计技术日新月异，电压、工作频率自适应调整技术、多工作模式的节能技术、数字电源管理技术，以及低功耗的最新半导体工艺技术应用层出不穷。在众多方案中选择满足设计功率预算要求的系统方案也是系统设计成功的关键因素之一。

选择具有广泛嵌入式系统支持能力的解决方案非常重要。目前可用的嵌入式操作系统众多，各具优势，硬件平台方案对这些操作系统的支持能力是进行方案选型的考虑要点之一。

以Mcu或AsIc为核心器件的硬件平台方案在解决上述嵌入式系统设计要求上正面临挑战，有限的处理能力通常难以满足很多应用的高处理能力需求，或者缺乏进行功能扩展和产品升级换代的设计灵活性，某些设计为了满足系统的处理能力要求而增加DsP或协处理器，从而增加系统的复杂性、功耗和成本。

结合MCU和DsP性能优势的汇聚式处理器是有效解决上述设计挑战的方案之一，而ADI公司Blackfin处理器是目前市面上唯一的汇聚式处理器产品。汇聚式处理器典型应用有电力应用的智能电表，安防应用的视频监控，医疗设备的便携式房颤监测仪，工业应用的3DLevelScanner三维曲面测量仪等。预览全文，请访问本刊网。

科学大师是引用出来的

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中图分类号：TM44；TN722；TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-04

0 引 言

近几年，受益于集成电路工艺技术与片上系统（System on Chip，SOC）的不断发展，射频识别、微传感网络以及环境感知等智能技术得到了飞速发展。其中，对于无线供能植入式芯片的能量管理、功耗等问题受到了持续关注与研究。当能量采集完成后，如何管理该能量是下一代被动与半被动植入式医疗设备的要点之一。

在低功耗植入式芯片中，如低噪声放大器、模数转换器等对工作电压及其纹波都有一定的要求，因此须通过无线能量管理单元（Wireless Power Management Unit，WPMU）将其电源性能优化。在被动式芯片中，电荷泵整流器（Charge Pump Rectifier，CPR）、带隙基准源（Bandgap Reference，BGR）、低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）是WPMU的重要组成单元[1]。芯片工作时，人体各种低频信号（EEG、ECG）会通过相应的耦合方式传输到电源通路上，从而产生低频噪声，因此必须采用相关技术获得高电源抑制比电源。论文首先通过电荷守恒定理对传统Dickson电路进行动态分析及能量转换效率的改进；然后采用电源抑制增强（Power Supply Rejection Boosting，PSRB）与前馈消除（Feed-forword Cancellation，FWC）等技术分别提高BGR、LDO在运放工作带宽内的电源抑制力（Power Supply Rejection，PSR），并在输出节点并联电容以滤除超高频纹波；最后为保证LDO在负载变化时的稳定性，利用零极点追踪补偿来满足相位裕度的要求。

论文对高性能无线能量管理单元预设指标为：

（1）CPR在输入500 mV交流小信号时能输出2 V电压并驱动200 A的电流。

（2）BGR输出电源抑制比在LDO的工作范围内尽可能大于60 dB，以减小对LDO的影响。

（3）LDO输出电源抑制比在生物信号频率处（01 kHz）及CPR输入信号处大于60 dB，从而提供负载电路高性能的工作电压。

（4）在满足以上性能的情况下，尽可能减小电路工作时的静态电流。

1 无线能量管理单元的基本原理

图1所示为论文采用的无线供能能量管理单元拓扑结构。由图1可知，WPMU主要包含CPR、BGR、LDO及保护电路（PRO）等模块。芯片通过片外天线采集到由基站发射的高频无线能量信号，CPR将信号整流后进行升压，产生纹波较大的电压，并将该能量储存到Cs中。由BGR与LDO所组成的环路通过负反馈输出纹波较小的VDD来驱动负载电路。其中BGR为LDO提供一个精准稳定的参考电压，因此BGR的性能影响着LDO输出电压的性能。芯片中的保护电路包括过温保护电路、过压保护电路、限流电路，其主要目的在于意外情况下对电路关断，实现对电路的保护。

设计能量管理单元时，在无线供能的环境下要注意相关性能的优化，而这又伴随着其它性能的牺牲，下面将详细分析论文采用的CPR、BGR、LDO设计原理及电路结构。

3 版图及后仿真结果

采用SMIC 0.18 m CMOS工艺，在Cadence下对电路进行仿真验证，无线能量管理单元的版图如图7所示，其中包含了CPR、BGR、LDO及PRO等模块，芯片的尺寸大小为277 m×656 m。

电路在工作时要避免反馈环路发生震荡，必须保证LDO环路的相位裕度，论文在tt、ff、ss三个工艺角下对其进行不同负载电流（0200 A）的仿真，仿真结果如表1所列。该结果表明在负载电流0200 A内，由于零极点追踪补偿的作用，相位裕度均大于60度，根据奈奎斯特稳定判据，LDO环路能在负载变化的范围内稳定工作。

图8所示为BGR、LDO的PSR仿真波形，从图中可以看出，BGR采用PSRB技术后，PSR在低频降低了近25 dB。当LDO采用FWC技术时，电源抑制在低频段得到了显著提升，电路空载时，在100 Hz内提升了近20 dB，满载时提升了近40 dB。

图912给出了WPMU中CPR与LDO的相关瞬态仿真结果，当输入频率为500 MHz、幅度为0.5 V的正弦波时，电路建立时间约为13 s，CPR的纹波约为5 mV，而LDO的输出电压纹波减小至2.3 V，即高频处PSR约为-66 dB。因此论文采用的LDO在生物信号频率处（DC-10 kHz）与输入信号频率处（100 MHz以上）具有较好的PSR。表2对相关文献与本文设计进行性能比较，可以看出，该电源管理单元能输出性能更好的工作电压。

4 结 语

论文针对CPR、LDO、BGR进行研究，设计了一种应用于低功耗无线供能植入式医疗芯片的能量管理单元。采用SMIC 0.18 m CMOS工艺提供的本征MOS管使CPR的效率得到提升。利用PSRB将BGR的PSR在低频处从-75 dB降低到-95 dB，这是优化LDO电源抑制能力的基本前提。通过FWC、零极点追踪补偿改善LDO的PSR与稳定度，在驱动0.2 mA的负载电流时，PSR为-85 dB@DC，而相位裕度在负载范围内均大于60度，该性能可适用于对电源性能要求较高的模块。

参考文献

[1]郭文雄.应用于植入式经皮能量传输的集成电路研究与设计[D].广州：华南理工大学，2013.

[2]Pierre Favrat， Philippe Deval， Michel J.Declercq. A High-Efficiency CMOS Voltage Doubler[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 1998， 33（3） ： 410-416.

[3]To shiyuki Umeda， Hiroshi Yoshida， Shuichi Sekine， et al. A 950-MHz Rectifier Circuit for Sensor Network Tags With 10-m Distance[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2006， 41（1）： 35-41.

[4]Keith Sanborn， Dongsheng Ma， Vadim Ivanor. A Sub-1-V Low-Noise Bandgap Voltage Referen-ce[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2007， 42（11） ： 2466-2481.

[5]Mohamed El-Nozahi， Ahmed Amer， Joselyn Torres， et al. High PSR LOW Drop-Out Regulator With Feed-Forward Ripple Cancellation Techniq-ue[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2010， 45（3） ： 565-577.

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中图分类号：TN915.65 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）04-0213-02

通信技术、嵌入式技术、信息家电的飞速发展，使智能家居网络的构建成为可能。ZigBee是一种短距离、低速率的无线网络技术，而与物联网的结合更加突出了ZigBee的技术。ZigBee一般采用IEEE802.15.4收发器与ZigBee协议栈的组合，在数千个微小的节点之间相互协调实现通信。这些节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。因此，ZigBee在传感器网络、智能家居、工业自动化等领域有广泛的应用。在这样的背景之下，很多公司都开始了ZigBee产业化的道路。智能家居是未来家居的发展方向，它利用先进的物联网技术将家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，为人们提供智能、舒适的居住环境。ZigBee技术是一种家电智能控制无线系统，是近几年发展起来的一种短距离的无线通信技术，具有短距离、低功耗、低数据率、低成本、安全可靠等优点，而物联网使用的无线技术，实现物物相连，给人们的生活带来重大改变。家庭内部地理范围小，非常适合ZigBee技术对其进行联网，而ZigBee的最初切入点也正是家庭自动化。采用ZigBee技术组建智能家居内部通信网，其网络采用网络拓扑结构，实现简单，并且具备自组网功能，新传感器节点入网无需人工配置，考虑了系统异常的情况。每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。ZigBee技术会因室内环境影响做出相应的改善，采用了多工作模式（如休眠模式）降低了传感器节点的功耗，延长了节点的使用寿命。智能家电控制系统实现了传感器的通用接入，组建了基于ZigBee技术的自组织网络，系统安装方便，扩展性好，具有很好的实用价值。总之，智能家电控制系统已把人们从日常琐事中解放了出来，实现了智能化家居。

一、Zigbee无线组网技术及其协议

家电智能控制无线自组网络系统采用ZigBee技术，对于一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，它符合IEEE802.15.4协议。在网络组建上，它选用的是“星状组网”方案，因为星形结构适合于实时性要求高，数据量比较大的场合。以下是家庭网络的总体结构。

IEEE 802.15.4标准是针对于低速无线个人区域网，把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一的标准。基于ZigBee的无线传感器网络具有备成本低、传输速率低、设备体积小、省电、网络自愈等特点，ZigBee可以广泛应用在家庭自动化。

二、Zigbee技术家电智能硬件设计

在硬件设计上，家电智能控制系统的硬件设计，主要有射频数据模块、微控制器和设备组成。微处理器选用Freescale公司推出的超低功耗MC9S08GT60，无线收发器选用Freescale公司推出的一种短距离、低功耗，工作在2.4Ghz的MC13192。

三、Zigbee技术家电智能软件设计

在软件设计上，家电智能系统的软件设计分为三层：系统平台层、协议层和应用层。系统平台层通过API应用程序接口来给协议层提供服务；协议层则实现了基于802.15.4的物理层和链路层以及基于ZigBee的网络层协议；应用层通过API来调用协议层提供的服务，实现网络的管理和数据传输等任务。

Zigbee技术的协议层结构简单，不同于蓝牙和其他网络结构，这些网络结构通常为7层，而Zigbee技术仅为3层。在Zigbee技术中，PHY层和MAC层采用lEEE802.15.4协议标准，其中，PHY提供了两种类型的服务：通过物理层管理实体接口（PLME）对PHY层数据和PHY层管理提供服务。

四、结束语

通过项目组全体成员和指导老师的努力，经过了一年左右的时间，我们终于完成了本次项目的论文。从开始申请这个项目时的茫然到这个项目论文文章的完成，每一个阶段对于我们来说都是一次新的尝试和挑战。在这段时间里，我们学到了很多知识也感受了很多，因为这不是一个人独立完成的而是以小组形式，分工合作来完成的。明确目标很重要，小组成员之间的相互协调更是不可或缺，这些都体现出了团队合作的重要性。虽然本次项目不是很完善，还有很多不足之处，但是小组全体成员和指导老师的努力大家是有目共睹的，这些对于我们来说就是莫大的欣慰和成就感，我们相信其中的酸甜苦辣终究会化成美味的甘泉。这次论文的经历让我们受益匪浅，从中我们知道论文是要用心去写，是真正学习和研究的过程，没有学习就不可能有研究能力，没有研究就不会有所突破。希望这次的经历能让我们大家在以后的学习和工作中更加努力，激励着我们继续进步。

参考文献：

[1]李文仲.CC1110/CC2510无线单片机和无线自组织网络入门与世界[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.