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嵌入式移动终端内置WIFI 的低功耗设计

作者:徐亚卿?? 金德鹏?? 2009年01月13日 ?? 收藏0

  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)。

WIFI 子系统硬件框图

  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50? 的标准阻抗,

  2.45GHz 的天线能够通过50? 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

Host 主要的功能模块