鐵路交通信息系統(tǒng)PDA的低功耗設計

引言

　　PDA即Personal Digital Assitant(個人數(shù)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。本PDA系統(tǒng)除了具備傳統(tǒng)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(tǒng)及時廣播鐵路和民航行業(yè)應用方面的如航班晚點、車次晚點、剩余票額等相關行業(yè)信息。 PDA系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)所采用的降低系統(tǒng)功耗的各種措施。

　　1 鐵路交通信息系統(tǒng)PDA的體系結構

　　在分析本PDA系統(tǒng)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(tǒng)，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(shù)據(jù)處理，傳呼譯碼芯片接收傳呼信息并根據(jù)傳呼協(xié)議自動譯碼;LCD提供數(shù)據(jù)顯示輸出，觸摸屏提供用戶輸入接口;Flash用來存儲可執(zhí)行應用程序和數(shù)據(jù);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(shù)據(jù)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(tǒng)的設計難度，同時也提高了系統(tǒng)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(jù)具體情況對內核的時鐘進行動態(tài)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(tài)：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(tǒng)軟件開發(fā)平臺采用了我們自主開發(fā)研制的、專門面向嵌入式應用系統(tǒng)開發(fā)的XGW平臺。XGW開發(fā)平臺措鑒Windows消息驅動機制，是用C語言開發(fā)實現(xiàn)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(fā)人員較為熟悉，開發(fā)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(fā)平臺的體系結構，包括事件消息驅動機制(XGW軟件開發(fā)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(fā)提供了應用編程接口API。不過，XGW平臺對于系統(tǒng)硬件的中斷響應沒有提供統(tǒng)一的入口和出口，需要開發(fā)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(fā)，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(shù)由制造廠商來決定，此處主要闡述CMOS芯片動態(tài)功耗以及動態(tài)電源管理兩個方面。 (1)CMOS芯片動態(tài)功耗 隨著半導體制造技術的發(fā)展，數(shù)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(tài)和動態(tài)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(tài))靜態(tài)電流為0，實際情況下也是很小的。動態(tài)(0、1間的跳變狀態(tài))電流消耗占絕對主導地位。CMOS動態(tài)功耗計算公式為

　　式中： Pd--CMOS芯片動態(tài)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(tài)的切換頻率。 從式(1)及各參數(shù)含義看，CMOS芯片動態(tài)功耗的數(shù)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(tǒng)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(tài)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(tài)功耗幾乎也隨之減半。在本PDA系統(tǒng)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(shù)在降低系統(tǒng)功耗的同時，也滿足了系統(tǒng)性能的需求。 (2)動態(tài)電源管理 動態(tài)電源管理技術是指有選擇地將閑置的系統(tǒng)模塊置于低能狀態(tài)。一個較為復雜的嵌入式系統(tǒng)，除了處理器外還有很多外設電路模塊，它們協(xié)調工作，共同完成系統(tǒng)功能。 但在分析完成系統(tǒng)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(tài)。除了嵌入式處理器外，絕大多數(shù)外設模塊都是在執(zhí)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(tài);而在更多的時間里，這些芯片都是不需要工作的。 為了系統(tǒng)功耗最小，動態(tài)電源管理的原則是系統(tǒng)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(tài)。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(tǒng)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(tài)。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