鐵路交通信息系統PDA的低功耗設計__

鐵路交通信息系統PDA的低功耗設計

2008/3/14 14:35:00

摘要：闡述在集成傳呼功能、基于嵌入式處理器EP7211開發實現的二合一鐵路交通信息系統PDA中，為了降低系統的功耗，從硬件和軟件兩方面采取的各種措施。這些措施基于一定的低功耗設計原則，具有普遍性，適合一般的嵌入式系統開發。

關鍵詞：PDA EP7211 低功耗時間復雜度

引言
PDA即Personal Digital Assitant（個人數字助理）的縮寫，是近年來繼尋呼機和移動電話之后，在國內市場迅速崛起的便攜式電子產品。目前，國內傳統性能的PDA產品經過前幾年的高速發展后，市場需求基本飽和。不過，經過行業應用改造后的PDA產品，如文曲星、藍火等已經在國內市場大顯身手了。分析市場需求，我們研發了集成傳呼功能的、專門面向交通行業應用的鐵路交通信息系統PDA。本PDA系統除了具備傳統PDA的個人名片管理、辭典檢索、信息速記功能外，更重要的是提供交通領域的民航各種航班查詢和全國鐵路列車的刻表查詢，通過傳呼系統及時廣播鐵路和民航行業應用方面的如航班晚點、車次晚點、剩余票額等相關行業信息。 PDA系統屬于便攜式電子產品。這類產品，性能指標日益向實用化、方便化發展。產品不僅要求功能完備，用戶界面友好，操作方便簡潔，而且要求產品壽命長，功耗低。產品低功耗設計一般從硬件和軟件兩個角度來考慮。本文重點闡述該PDA系統所采用的降低系統功耗的各種措施。

1 鐵路交通信息系統PDA的體系結構
在分析本PDA系統的功能性和非功能需求，充分了解市場硬件行性的基礎上，設計了本PDA系統，其硬件體系結構框圖如圖1所示。

嵌入式處理器EP7211（核心模塊）進行數據處理，傳呼譯碼芯片接收傳呼信息并根據傳呼協議自動譯碼；LCD提供數據顯示輸出，觸摸屏提供用戶輸入接口；Flash用來存儲可執行應用程序和數據；SRAM為程序運行提供內存空間；語音錄放電路完成快速語音記憶功能；串口和紅外口完成相關的數據通信工作；電源電路為嵌入式處理器和各外圍設備提供所需要的工作電壓。嵌入式處理器EP7211是Cirrus Logic公司專門為低成本、超低功耗的嵌入式應用設計。它包含基于RISC體系結構的ARM7TDMI處理器內核和豐富的外圍接口，如CODEC音頻接口、SPI串行A/D接口、單色LCD接口、RAM接口、串行紅外接口、PWM接口、實時時鐘RTC以及電源檢測接口等。這些豐富的外圍接口，不僅降低了系統的設計難度，同時也提高了系統工作的可靠性。EP7211的內核電路工作在2.5V，而外圍電路工作在3.3V。它可根據具體情況對內核的時鐘進行動態編程控制，可工作在18MHz、36MHz、49MHz和74MHz。另外，EP7211還有三種基本的工作狀態：正常操作（operating）、空閑（idle）和等待（standby）。在等待模式時，主時鐘被關斷，整個CPU及相關外圍（除中斷和RTC）關斷，但可通過觸摸屏中斷、傳呼中斷或復位按鈕來喚醒。系統軟件開發平臺采用了我們自主開發研制的、專門面向嵌入式應用系統開發的XGW平臺。XGW開發平臺措鑒Windows消息驅動機制，是用C語言開發實現的；它功能強大，模塊化設計，擴展性強，產品升級容易，而且開發人員較為熟悉，開發成本低，其總體框架如圖2所示。

圖2全面反應了XGW軟件開發平臺的體系結構，包括事件消息驅動機制（XGW軟件開發平臺中的消息分為鼠標消息、鍵盤消息和定時器消息等三類）、內存管理、字符和圖形顯示輸出、圖形組件庫等。圖形組件庫中的編輯框、列表框、按鈕、進度條等圖形控件為用戶應用程序開發提供了應用編程接口API。不過，XGW平臺對于系統硬件的中斷響應沒有提供統一的入口和出口，需要開發人員單獨處理。

2 硬件低功耗
硬件低功耗主要從芯片制造工藝流程和硬件體系架構的角度出發，基本原理是盡量選用能夠滿足功能要求的功耗低的芯片。不過，芯片自身的功耗參數由制造廠商來決定，此處主要闡述CMOS芯片動態功耗以及動態電源管理兩個方面。 (1)CMOS芯片動態功耗隨著半導體制造技術的發展，數字電路從TTL工藝轉向CMOS工藝。TTL工藝為電流注入型電路，靜態和動態電流消耗接近。CMOS工藝是壓控型的，理想情況下("0"、"1"的恒定狀態)靜態電流為0，實際情況下也是很小的。動態("0"、"1"間的跳變狀態)電流消耗占絕對主導地位。CMOS動態功耗計算公式為

式中： Pd－－CMOS芯片動態功耗； Ce－－CMOS芯片等效電容； V－－CMOS芯片工作電壓； f－－CMOS芯片工作頻率或工作狀態的切換頻率。從式（1）及各參數含義看，CMOS芯片動態功耗的數值正比于工作電壓的平方，同時正比于工作頻率。在滿足系統功能需求的條件下，降低芯片工作電壓和工作頻率，都可以極大減少芯片的動態功耗。以處理器工作頻率為例，如果工作頻率降低一半，則該芯片動態功耗幾乎也隨之減半。在本PDA系統中，盡管ARM7處理器提供了18MHz、；36MHz、49MHz和74MHz四種工作頻率，但我們采用2.5V為低壓供電，18MHz工作頻率。這些參數在降低系統功耗的同時，也滿足了系統性能的需求。（2）動態電源管理動態電源管理技術是指有選擇地將閑置的系統模塊置于低能狀態。一個較為復雜的嵌入式系統，除了處理器外還有很多外設電路模塊，它們協調工作，共同完成系統功能。但在分析完成系統功能的過程中可以看出，并不是所有模塊在任何時間都處在工作狀態。除了嵌入式處理器外，絕大多數外設模塊都是在執行某項具體功能的時候（它自己的有效操作期間）才需要供電。如音頻模塊，有語音輸入或者輸出時才需要工作；在進行串口通信時，串口芯片需要處在工作狀態；而在更多的時間里，這些芯片都是不需要工作的。為了系統功耗最小，動態電源管理的原則是系統完成某項功能，只有參與這項功能的模塊才供電，其它模塊設置在電源切斷狀態。在電路設計時，需要充分考慮到這個問題，盡可能為各外設模塊提供切換供電機制的引腳控制信號，而且允許通過軟件編程的措施來完成其電路開關的切換工作。本PDA系統中，除了嵌入式處理器外，還有異步串口、語音編譯碼芯片、音頻功放、傳呼、LCD、收音機等外部設備。傳呼的接收具有隨機性，需要一直處在工作狀態。串口、語音芯片、功放電路、LCD等可以通過一定口地址的設置來控制電源開關，使之在工作的時候提供電壓，在不工作的時候切斷電源。各外設模塊電源口地址配置如表1所列。
表1 口地址功能工作條件 PA4 LCD背光控制低電平 PA5～PA6 紅外口控制取值00 PD1 LCD電源電路高電平 PD2 LCD點顯示電路高電平 PE0 控制語音播放高電平 PE1 控制音頻功放低電平

3 軟件低功耗
嵌入式系統開發中除了硬件低功耗措施外，也可以從軟件方面來設計。嵌入式系統軟件低功耗措施一般涉及到處理器工作狀態間的切換、應用模塊軟件算法的選擇和系統整體的數據調度三個方面。
(1)處理器工作狀態便攜式系統工作過程中，處理器并不是任何時候都一直忙于運行，尤其是PDA來產品。如今的嵌入式處理器（包括EP7211）一般都為應用開發提供了三種工作狀態：運行、空閑和休眠。大量的實際使用表明，更多情況下，大部分時間里系統是處在休眠狀態的，一旦獲得工作信號，會迅速切換到工作狀態。當系統在工作狀態下一定時間內沒有獲得下一次需要處理的信號時，則應該自動切空閑或者休眠狀態。因為在不同的工作狀態，處理器內部工作電路有所變化，功耗大小差別較大。本PDA系統采用的ARM處理器，在不同工作條件和狀態下的功耗哪表2所列。
表2 名稱頻率/MHz 消耗電流最大值/mA 條件休眠狀態　 300μA 32kHz時鐘晶振工作，I/O口處于禁止空閑狀態 18 6 晶振都在工作，LCD刷新處于激活狀態，CPU是靜態的空閑狀態 36 12 同上運行狀態 18 20 整個系統處于激活狀態，正在執行程序運行狀態 36 40 同上注：直流供電電壓2.5V 從表2中明顯看出，處理器不同條件和狀態下的功耗參數大小的差別。在18MHz頻率下，運行功耗(20mA)是空閑功耗（6mA）的近4倍，空閑功耗又是休眠功耗300μA的20倍。我們的目的是在不影響系統正常運行的過程中，盡最大可能使系統處在空閑休眠狀態來降低系統功耗；因此，我們應該通過預測系統執行過程的措施來切換處理器的工作狀態。分析式（1）可知，我們又不能頻繁過快地進行處理器狀態切換，中間要留有一定的穩定時間間隔。 XGW軟件開發平臺采用事件消息驅動機制。消息采用查詢方式，能夠實時響應外部中斷。在消息循環過程中，系統需要查詢消息隊列：當有消息出隊時，處理器在運行狀態處理這個消息所對應的事件；如果一這時間間隔（如2s）消息隊列一直是空，系統預測在最近相當長的時間內不會有事件產生，軟件編程措施把處理器從運行狀態切到空閑狀態；如果系統在更長的時間內（如20s）沒有事件產生，則系統預測用戶需要自動軟關機，此時處理器進入休眠狀態。在休眠狀態下，處理器能夠響應實時時鐘匹配中斷、傳呼接收中斷以及復位按鍵；一旦系統捕獲到這類信號，則迅速轉入到正常工作狀態。處理器在運行狀態和空閑狀態間的切換間隔是必需的，如果切換速度過快，并不能達到降低系統功耗的目的。為了縮短處理器從空閑或者運行狀態切換到休眠狀態的時間，系統同時提供了用戶手動軟關機措施，即通過觸筆直接點擊屏幕某一指定區域來實現。本PDA系統中，ARM7處理器三種工作狀態的轉換如圖3所示。