礦用低功耗Wi―Fi移動終端設(shè)計(jì)

摘要：采用低功耗的Cortex—M0內(nèi)核處理器作為嵌入式開發(fā)平臺的微處理器，設(shè)計(jì)了基于Wi—Fi技術(shù)的礦用移動終端。在軟件設(shè)計(jì)上，根據(jù)應(yīng)用和實(shí)時任務(wù)要求進(jìn)行工作模式切換，在完成Wi—Fi數(shù)據(jù)傳輸功能的同時，有效地降低了終端的系統(tǒng)功耗。重點(diǎn)分析了Wi—Fi移動終端的軟硬件設(shè)計(jì)思路，尤其是在降低功耗上采取的措施。最后，給出了終端傳榆功能和功耗的實(shí)際測試結(jié)果。
關(guān)鍵詞：Wi—Fi；移動終端；低功耗

引言
無線通信作為傳統(tǒng)礦井通信與監(jiān)測的有益補(bǔ)充，越來越受到重視。無線通信技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)指揮調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括常規(guī)通信和應(yīng)急通信。正常生產(chǎn)中的應(yīng)用主要以語音通信為主，同時考慮數(shù)據(jù)和圖像應(yīng)用，基于Wi—Fi技術(shù)的井下移動終端，是新型的井下無線通信設(shè)備，Wi—Fi技術(shù)具有傳輸帶寬高、通信可靠性好、通用性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)部署方便等特點(diǎn)，可以滿足大數(shù)據(jù)量的無線通信應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)井下的無線音視頻通信、定位和環(huán)境監(jiān)測等功能。
使用固定電池供電的Wi—Fi移動終端，如何在滿足通信任務(wù)的同時，降低終端設(shè)備的功耗，延長設(shè)備的工作和待機(jī)時間，是移動式Wi—Fi終端設(shè)備的技術(shù)瓶頸。本文提出了一種低功耗Wi—Fi移動終端的設(shè)計(jì)思路，選用NXP公司低功耗的Cortex—M0內(nèi)核處理器和Roving Networ ks公司的超低功耗Wi—Fi模組。在實(shí)現(xiàn)Wi—Fi無線數(shù)據(jù)傳輸功能的同時，通過合理的軟硬件措施，可根據(jù)不同的應(yīng)用要求切換選擇不同的工作模式，從而在既定的電池能耗限定條件下，有效地延長了移動終端的工作和待機(jī)時間，為礦用Wi—Fi移動終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了一種低功耗設(shè)計(jì)方案。

1 Wi-Fi移動終端硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用NXP公司的低功耗的Cortex—MO內(nèi)核處理器LPCI227作為主控制器，其在深度睡眠模式，靜態(tài)電流為2 mA；而在深度掉電模式下，只消耗nA級的靜態(tài)電流。RN171是一款超低功耗Wi—Fi模組，深度睡眠模式下，整個模組靜態(tài)電流僅為4μA。它包含2．4 GHz射頻電路、32位SPARC(可擴(kuò)充處理器架構(gòu))處理器、完整的TCP／IP協(xié)議棧、電源管理和模擬傳感接口，具有“主機(jī)零負(fù)荷”的性能。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議可以利用其內(nèi)置的32位SPARC處理器來執(zhí)行，所以不會對主控制器造成任何負(fù)擔(dān)。

圖1為Wi—Fi移動終端的總體硬件設(shè)計(jì)框圖，主要包括Cortex—M0內(nèi)核鍰控制器、Wi—Fi模組RN171，主時鐘、低頻睡眠時鐘和3 V的電源供應(yīng)。RN171通過SPI或者UART接口與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主機(jī)通過UART口來控制RN171的各項(xiàng)操作和數(shù)據(jù)傳輸。
供電單元采用LDO降壓芯片，在設(shè)計(jì)時考慮了芯片的成本、最大電流負(fù)荷、電源輸入／輸出效率和噪聲、輸入電壓范圍、輸出電壓精度和保護(hù)特性，尤其把LDO的靜態(tài)電流作為低功耗供電單元設(shè)計(jì)的重點(diǎn)因素，采用TOREX公司的XC62FP3002?？紤]到陶瓷電容有較優(yōu)的ESR特性，可以過濾脈動電壓抖動影響，設(shè)計(jì)中同時采用陶瓷電容匹配LDO芯片。
主控制器LPCI227有兩個時鐘源，12 MHz的主時鐘和32 kHz的睡眠時鐘，通過LPC1227內(nèi)部的PLL(鎖相環(huán))模塊，調(diào)整合適的分頻和倍頻值，使得主控制器能工作在最高50 MHz的主頻。32 kHz的睡眠時鐘，在移動終端進(jìn)入低功耗模式時提供時鐘基準(zhǔn)，很大程度地降低了控制器功耗。LPC1227通過實(shí)時時鐘來喚醒終端，進(jìn)入正常工作模式。
由于RN171的RF端口已經(jīng)有50 Ω的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，可以將一個50 Ω的阻抗天線直接連接到RF信號源端。在設(shè)計(jì)中，借助網(wǎng)絡(luò)分析儀的幫助，設(shè)計(jì)了匹配的π型濾波器，以得到更高帶寬性能的射頻信號接收性能和最佳的駐波比。具體的LC參數(shù)值取決于PCB介質(zhì)特性和電子料的布板。天線設(shè)計(jì)采用Roving Networks公司官方推薦的PCB走線的布線方式，Roving Networks公司提供了完整的PCB天線的走線方式和尺寸。