（微电子学与固体电子学专业论文）嵌入式蓝牙系统的低功耗研究.pdf

摘要 摘要 随着现代科学技术的飞速发展，嵌入式系统的应用也变得越来越广泛。而在 嵌入式应用中，系统的功耗越来越受到人们的重视，这一点对于需要电池供电的 便携式系统尤其重要。低功耗设计可以大大提高产品的综合性能、提升产品的市 场竞争力，具有重大的社会效应和经济效益。 o m a p 是一个高度集成的硬件和软件应用平台，它是为实现下一代嵌入式设 备的应用而设计的。蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，基于其低成本、低功 耗、体积小的优点，已被广泛使用。本文介绍的嵌入式蓝牙系统就是基于t i 的 o m a p 5 9 1 0 和蓝牙技术，实现多种格式实时视频、语音以及文件传输的通信系统。 本文对嵌入式蓝牙系统的低功耗进行了一系列的研究和设计。 首先基于系统硬件平台，根据开关电源和线性电源的基本原理，分析研究系 统中给处理器和外围设备供电的电路，完成硬件的设计、调试和功耗测量。又从 考虑电源转换效率和系统功耗的角度出发，在保证系统正常工作的前提下，对系 统的供电结构进行改进，降低了功耗。 其次基于动态电源管理的原理，从整个系统级考虑如何降低系统的功耗。根 据处理器提供的多种工作模式，用电源管理芯片t p s 6 5 0 1 0 ，在嵌入式l i n u x 系统 中进行动态功耗管理研究。最后在c c s 上设计并执行了一个独立工程，结果是引 脚l o wp w r 变为高电平，可以控制处理器在适当的时机进入深度睡眠模式或者 唤醒。 关键字：嵌入式系统蓝牙技术o m a p 5 9 1 0 低功耗电源管理 a b s t r a c ti i i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，e m b e d d e ds y s t e mi su s e d m o r ea n dm o r ew i d e l y i nt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m , t h ep o w e rd i s s i p a t i o n o ft h es y s t e mh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，e s p e c i a l l yf o rb a t t e r y - s u p p l i e d p o r t a b l es y s t e m s l o w - p o w e rd e s i g n c a ni m p r o v ep r o d u c t s p e r f o r m a n c ea n d s t r e n g t h e nm a r k e tc o m p e t i t i o n ，w h i c hh a sg r e a ts o c i e t ye f f e c t sa n de c o n o m i cb e n e f i t s o m a pi sd e s i g n e df o rt h ea p p l i c a t i o no ft h en e x tg e n e r a t i o ne m b e d d e dd e v i c e s i t i sah i 曲l yi n t e g r a t e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea p p l i c a t i o np l a t f o r m b l u e t o o t h ，a sak i n d o fs h o r td i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，h a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo f i t sa d v a n t a g e so fl o wc o s t ，l o wp o w e ra n ds m a l lv o l u m e t h es y s t e mp r e s e n t e di nt h i s p a p e ri st h ee m b e d d e db l u e t o o t hs y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nt i so m a p 5 9 1 0a n d b l u e t o o t ht e c h n o l o g y i ti sac o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a p a b l eo fr e a l - t i m ev i d e o ，v o i c e a n df i l et r a n s m i s s i o n t h ep a p e rp r e s e n t st h el o w - p o w e rr e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ee m b e d d e db l u e t o o t h s y s t e m f i r s t ，b a s e do nt h et h e o r yo fs w i t c hr e g u l a t o ra n dl i n e a rr e g u l a t o r , t h es u p p l y c i r c u i t sf o rp r o c e s s o ra n dp e r i p h e r a l sa r ed e s i g n e d f o rt h ec o n s i d e r a t i o no fp o w e r c o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n ds y s t e mp o w e rd i s s i p a t i o n , t h es u p p l yc i r c u i t sa l ei m p r o v e d t or e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o n t h e n ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fd y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ，h o wt or e d u c et h e p o w e rf r o mt h ew h o l es y s t e ma r ec o n s i d e r e d c o o p e r a t i o nw i t ht h es e v e r a lo p e r a t i o n m o d e so fp r o c e s s o r ，t h ep o w e rc h i pt p s 6 5 010i su s e dt or e a l i z ed y n a m i cp o w e r m a n a g e m e n ti nt h el i n u xs y s t e m f i n a l l y ，a ni n d e p e n d e n tp r o je c ti se x e c u t e di nt h e c o d ec o m p o s e rs t u d i o t h er e s u l ti st h a tt h el o w w r p i ni sd r i v e n e dt oh i 曲l e v e l a n dt h ep r o c e s s o rc a nb em a d et oe n t e rt h ed e e ps l e e pm o d eo rw a k eu pa ta p p r o p r i a t e m o m e n t k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m b l u e t o o t ho m a p 5 9 1 0l o w - p o w e r p o w e rm a n a g e m e n t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：壑! 整日期盔丑：独 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。 本人签名：j 虹 翩豳邈 日期翻2 ：砗 日期衄丝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 随着现代电子技术的飞速发展，嵌入式系统的应用越来越广泛，而嵌入式系 统的低功耗设计也越来越受到人们的重视。降低系统的功耗具有下面的意义【l j ： ( 1 ) 降低电磁干扰： 随着现代科学技术的迅速发展，各种电子设备应用越来越广泛，它们运行中 产生的高密度、宽频带的电磁信号充满了整个空间，形成复杂而恶劣的电磁环境。 尤其是近年来，e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ，电磁兼容) 标准在许多国家 和地区逐渐成为电子类产品强制性的执行标准，所有不满足e m c 标准的产品都 不能销售，特别是欧洲一些国家和地区对电子类产品提出了非常严格的e m c 要 求。解决和降低电磁干扰问题已经成为电子企业发展面临的一项重要技术和挑战。 若系统的功耗越低，电磁辐射的能量就越小，那么对其它设备造成的干扰就 越小。如果所有的电子类产品都设计成低功耗的产品，则电磁兼容性设计会变得 容易，也就降低了电磁干扰； ( 2 ) 节能问题 能源问题一直是世界各国关注的重要问题。节约能源已经成为一个世界性的 大趋势，低功耗设计正是基于这个要求提出来的，充分体现出了保护环境和节约 能源的要求。 ( 3 ) 降低成本、提高可靠性 在降低系统功耗之后，往往可以提高产品的可靠性与寿命，使厂家可以节省 定期检测、维修等的费用，降低了成本。对于使用电池进行供电的系统，降低功 耗后，可延长电池的使用时间，减少换电池的频率，这对于一些特殊环境如野外、 井下、空中和无人守值检测等领域的应用具有重要的意义。 综上所述，低功耗设计是非常有必要的，对某些电子产品甚至是非要考虑不 可的，任何电子产品都有低功耗设计的必要性。低功耗设计可以大大提高产品的 综合性能、提升产品的市场竞争力，具有重大的社会效应和经济效益。 本文中介绍的嵌入式蓝牙系统就是基于t i 的o m a p 5 9 1 0 和蓝牙技术，实现 多种格式实时视频、语音以及文件传输的通信系统。针对此嵌入式蓝牙系统，本 论文将从电源设计、系统设计和电路设计出发，与系统软件设计相结合，考虑如 何通过优化电路、采用不同工作模式等方法，来有效地降低系统功耗。 2嵌入式蓝牙系统的低功耗研究 1 2 嵌入式系统概述 1 2 1 嵌入式系统的定义 根据i e e e ( 雪际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统【2 】是控制、监视 或者辅助设备机器和车间运行的装置，这主要是从产品的应用角度加以定义的。 因为有众多不同的专业的人士从各自不同的角度来思考和定位嵌入式系统，如系 统设计人员更多的是从系统架构来考虑，电子工程师更多的是从硬件设计来考虑， 软件工程师更多的是从软件设计和优化来考虑，经营者和用户更多的是从实用和 市场应用来考虑，所以现在对嵌入式系统的定义非常多。按照目前业界和学术界 对嵌入式系统的普遍看法，嵌入式系统被定义为以应用为中心，以计算机技术为 基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要 求的专用计算机系统。 1 2 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术等各种技术相结 合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散和不 断创新的知识集成系统。嵌入式系统具有以下几个特点： ( 1 ) 嵌入式系统面向特定应用 嵌入式系统是面向用户、应用的，一般会与用户和应用相结合，以其中的某 个专用系统或模块出现。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换 代是和具体产品同步进行的，因此一旦嵌入式系统产品进入市场，就具有较长的 生命周期。 ( 2 ) 嵌入式处理器受到应用要求的制约 嵌入式系统的硬件和软件都必须经过高效率地设计，量体裁衣、去处冗余， 争取在个固定的硅片面积上实现更高的性能，这样才能使其在具体的应用中更 具有竞争力。与通用型处理器相比，嵌入式处理器的最大不同是将大部分工作用 在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、小体积和高集成度等特点， 能够把很多任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动 能力也大大增强，跟网络的联系也就越来越紧密。 ( 3 ) 嵌入式软件要求固化、可靠 嵌入式应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，为了提高执行速度和系统可 靠性，嵌入式软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘 等载体中；软件代码要求质量高、可靠性高和实时性高。 嵌入式系统自身不具备自举开发的能力，即使设计完成以后用户通常也是不 能对其中的程序功能进行修改的，所以必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 第一章绪论 3 1 2 3 嵌入式系统的组成 从嵌入式系统的组成上看，它可以分为嵌入式硬件系统和嵌入式软件系统两 大部分【3 】，如图1 1 所示。 赣 嵌糌 八藕 式缆 歉鹾 入傅 式系 统回国 图1 1嵌入式系统组成 ( 1 ) 嵌入式硬件系统主要由嵌入式处理器及相关支持硬件、外围电路等组成。 其中，嵌入式处理器在嵌入式硬件系统中处于核心地位，按照功能和用途划分， 可以把它进一步分为以下三种类型：嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r ) 、 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ) 和嵌入式数字信号处理器( e m b e d d e d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 。 嵌入式微处理器：它的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器 装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大 幅度地减小系统的体积和功耗。 嵌入式微控制器，又称为单片机：是将整个计算机系统集成到一块芯片中。 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器的内核为核心，芯片内部集成 r o m e p r o m 、r a m 、总线、定时计数器、w a t c h d o g 、i 0 、串行口、a d 、d a 、 等各种必要功能和外设。 嵌入式数字信号处理器：分别对系统结构和指令进行特殊的设计，使其适合 于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱 分析等方面d s p 算法正在大量地进入嵌入式领域，d s p 应用正在从通用单片机中 以普通指令实现d s p 功能，过渡到使用嵌入式d s p 处理器。 ( 2 ) 通常可以把嵌入式软件系统划分为嵌入式操作系统和应用软件两部分。在 有些复杂的嵌入式系统中，为了简化应用开发，还提供了一个中间层。在早期的 嵌入式系统中，系统的复杂性不高，当时的嵌入式系统通常不使用操作系统，而 是由应用程序直接控制和管理系统硬件。例如现在还大量存在的基于8 位单片机 的系统，一般只完成单一的控制功能，其功能与硬件复杂度都较低，其软件通常 都只有一个简单的控制程序。在这类简单系统中没有必要使用操作系统。随着现 4 嵌入式蓝牙系统的低功耗研究 代科学技术的进步与复杂需求的出现，嵌入式系统进入了一个新的阶段。这个阶 段的嵌入式系统硬件大多采用了3 2 位的嵌入式s o c 处理器，软件系统则增加了 嵌入式操作系统。 从图1 1 可以看出，位于上层软件与嵌入式硬件系统中间的是操作系统，它 在整个嵌入式系统中处于重要的地位，有着至关重要的作用。它负责控制与管理 嵌入式硬件系统，将硬件的复杂性隐藏起来，为上层软件设计提供一个统一易用 的应用程序编程接口，以使应用软件开发的复杂性降低。同时，作为嵌入式系统 软硬件资源的管理者，它负责系统软硬件资源的调度与分配，保证有效合理地使 用系统资源。总之，嵌入式操作系统的出现与使用是嵌入式系统发展过程中的一 个重要的里程碑，它掩盖了底层硬件的复杂性，也提高了软件的开发效率和软件 的可维护性。 1 3 论文内容及作者所做的工作 本论文主要描述了基于o m a p 5 9 1 0 和蓝牙技术的嵌入式蓝牙系统的低功耗 研究，并对嵌入式系统的低功耗设计以及该系统的低功耗实现做了一定的研究。 论文内容的具体安排如下： 第一章绪论。第二章对嵌入式蓝牙系统的硬件结构和蓝牙技术进行了详细地 介绍，并对低功耗设计的方法进行了分析和讨论。第三章基于三种电源芯片的工 作原理，为系统中各部分选择了合适的芯片，保证系统的正常运行。为了提高电 源芯片的效率对供电电路进行了改进。分别测量了系统电路改进前后在两种工作 模式m o d e 0 ( 无显示模式) 和m o d e l ( 显示模式) 下的功耗。第四章利用软硬件 结合研究实现系统的低功耗，最后设计了一个独立的工程可以使系统进入低功耗 工作模式。第五章结束语部分总结全文。 作者在硕士学习期间主要做了以下工作： ( 1 ) 学习和掌握o m a p 技术和蓝牙技术，了解嵌入式蓝牙系统的工作原理。 ( 2 ) 研究和掌握开关型电源芯片和低压差线性电源芯片的工作原理，在此基础 上，综合分析考虑嵌入式蓝牙系统中各部分电路的特性，分别为它们选择了合适 的电源芯片和设计了相应的供电电路，并对供电电路进行改进，以降低功耗。完 成电源电路的原理图和p c b 图设计以及调试工作。 ( 3 ) 研究嵌入式系统的低功耗设计方法以及l i n u x 操作系统的电源管理机制， 用t p s 6 5 0 1 0 电源管理芯片实现o m a p 5 9 1 0 的低功耗模式，完成t p s 6 5 0 1 0 原理 图和p c b 图的设计。在c c s 上设计并执行了一个独立工程，o m a p 5 9 1 0 进入了 低功耗模式，降低了系统的功耗。 第二章嵌入式蓝牙系统介绍及低功耗设计方法分析 5 第二章嵌入式蓝牙系统介绍及低功耗设计方法分析 由于o m a p 既能高效地处理多媒体信号，体积和功耗又很小，所以在本系统 中选用o m a p 5 9 1 0 做为系统的处理器。而蓝牙作为一种新兴的、短距离、低功耗、 低成本的无线网络技术，越来越多的得到了应用。所以本系统充分利用了 o m a p 5 9 1 0 和蓝牙技术的优点并把它们结合起来，实现了多种格式实时视频、语 音以及文件的无线传输。 随着嵌入式系统的应用越来越广泛，如何降低其功耗也成为了一个令人十分 关注的问题。在本章就对功耗产生的原因、与系统功耗有关的因素和降低功耗的 措施进行了详细地介绍和分析。 2 1o m a p 5 9 1 0 硬件结构 o m a p 设备的硬件部分包括以a r m 处理器为核心的m p u 子系统、以d s p 处理器为核心的d s p 子系统和实现两者相互协同工作的多个辅助组件。 o m a p 5 9 1 0 处理器【4 】在硬件结构上具有所有o m a p 系列处理器所共有的特 点，它具有独立的双核结构，一个实现控制功能的带t i 增强型a r m 9 2 5 内核的 r i s c 处理器和一个实现数据处理功能的高性能、低功耗的t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 核。 o 脚5 9 1 0 处理器的硬件具有如下特点： ( 1 ) 同时支持r i s c 和d s p 的操作系统 ( 2 ) t 1 9 2 5 tm p u 子系统具有以下特点： 指令c a c h e ( 16 k b ) 和数据c a c h e ( 8 k b ) 存储器管理单元( m m u ) 1 个字长为1 7 b i t 的用户可写缓存( w b ) ( 3 ) d s p 子系统( t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 核和子系统) 具有以下特点： 内部3 2 k w ( k i l o w o r d ，千字) 的双寻址g n m ( d g a m ) ，4 8 k w 的单 寻址r a m ( s r a m ) ，1 6 k w 的r o m 为视频处理提供的硬件加速器、像素内插和运行估计单元 不需d s p 干预的、可进行高速数据传递的6 通道d m a 控制器 ( 4 ) d s pm m u ( 存储器管理单元) 可实现地址翻译和访问权限检查 ( 5 ) d m a 控制器具有以下功能： 6 个端口和9 个相互独立的可编程通用通道 1 个附加的专用d m a 通道，从功能上与液晶显示( l c d ) 控制器相 连 可以在外部存储器、m p u 和外设间传输按字节打包组合后的8 b i t 、 6嵌入式蓝牙系统的低功耗研究 1 6 b i t 或3 2 b i t 的数据 在数据源不发生冲突的情况下，可以实现同时传输( 单次或多次 突发) 低功耗设计( 在空闲状态下无时钟) ( 6 ) 1 个外部存储器通信控制器( t c ，t r a f f i cc o n t r 0 1 ) ，允许在外部存储器接口 和m p u 及d s p 间进行异步操作 ( 7 ) 邮箱( m p u 到d s p 有2 个，d s p 到m p u 有2 个) ，用于实现存储器间通 信 ( 8 ) 时钟管理能力如下： ， 1 个数字锁相环( d p l l ) 和3 个时钟管理单元，分别实现m p u 、 d s p 和存储器通信控制器的时钟产生和管理 在空闲状态，具有系统功耗管理能力 2 1 1a 王洲9 2 5 t 微处理器单元 a r m 9 2 5 t 是o m a p 5 9 1 0 的主控微处理器，由a r m 9 t d m i 核f t ：1 6 b i t t h u m b i n s t r u c t i o ns e ts u p p o md ：d e b u gs u p p o r t ：m ：l o n gm u l t i p l i e r ss u p p o r t ：i ：i n c l u d e st h e e m b e d d e di c e ( i nc i r c u i te m u l a t o r ) ) 、缓存、内存管理单元等组成。a r m 9 t d m i 是一个具有五阶段流水线的3 2 位精简指令集处理器核，指令存取总线和数据存取 总线相互独立，为典型的哈佛总线结构。缓存系统由1 6 k b ( 1 0 2 4 1 6 8 ) 的指令 缓存，8 k b ( 5 1 2 1 6 8 ) 的数据缓存，1 7 字的写缓存和t l b ( t a b l el o o k - a s i d eb u f f e r ) 组成。内存管理单元负责管理虚拟内存映射及缓存系统。a r m 9 2 5 t 内部还有一 个协处理器c o p r o c e s s o r1 5 ，它的作用是配置缓存系统、内存管理单元等。 2 1 2 数字信号处理器单元t m s 3 2 0 c 5 5 x o m a p 5 9 1 0 的d s p 子系统主要包括以下模块： t m s 3 2 0 c 5 51 0d s p 内核及硬件加速单元( h a r d w a r ea c c e l e r a t o r s ， h w a ) 片上内存及其接口 片外内存接i z l ( e x t e r n a lm e m o r yi m e r f a c e ，e m i f ) 6 通道d m a 控制器 m p u 接口( m p ui n t e r f a c e ，m p u i ) t i 外设总线桥( t ip e f i p h e r f lb u s ，t i p b ) 以及外设接口 u a r t g p l 0 w a t c h d o gt i m e r 中断控制器 第二章嵌入式蓝牙系统介绍及低功耗设计方法分析 7 c 5 5 x 系列高性能、低功耗d s p 具有以下性能特点： 时钟频率可以达到2 0 0 m h z 。( 在o m a p 上，由于需要d s p 时钟 与a r m 以及内存控制器的时钟同步，时钟频率最高为1 5 0 m h z ) 多总线结构。1 条程序内存总线( 包括1 条3 2 - b i t 数据总线和1 条2 4 b i t 地址总线) ，5 条数据内存总线( 包括5 条1 6 - b i t 数据总线和5 条2 3 b i t 地址总线，3 条用于读，2 条用于写) 程序内存和数据内存采用统一的物理内存空间和地址空间 两个1 7 b i t 1 7 b i t - - 4 0 b i t 的乘法( 乘加) 器，每时钟周期可以完成 一次乘法( 乘加) 运算 8 个辅助寄存器( a r 0 a r 7 ) 可以实现多种寻址和地址更新操作 8 m 1 6 b i t ( 1 6 m 字节) 地址空间 单指令或多指令重复操作、条件执行指令 7 级流水线结构 2 2 蓝牙技术简介 “蓝牙”( b l u e t o o t h ) 原是十世纪统一了丹麦的国王的名字，现取其“统一”的含义， 用来命名意在统一无线局域网通讯标准的蓝牙技术。蓝牙技术是爱立信、i b m 等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组 织( s i g ) 来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世界已有1 8 0 0 多家公司加 盟该组织。 蓝牙技术【5 】是一种无线数据与数字通信的开放性全球规范。蓝牙技术涉及一系 列软硬件技术、方法和理论，包括：无线通信与网络技术，软件工程，软件可靠 性理论，协议的测试技术，规范描述语言，嵌入式实时操作系统，跨平台开发和 用户界面图形化技术，高集成低功耗芯片技术等。 整个蓝牙系统按功能可分为四个模块：无线射频单元、链路控制电源、链路 管理单元、软件结构。无线射频单元主要规定硬件设备的功能，它负责射频处理 和基带调制的功能。链路控制单元主要完成底层通信协议( 如物理层、m a c 层) 的功能。链路管理单元主要负责基带连接的设定及管理、基带数据的分段及重组、 多路复用和确定服务质量等功能。软件结构主要为各种应用( 如语音、数据等) 提供应用软件所需的通信协议与应用程序接口，如t c p i p 、r f c o m m 等。软件结 构实现的功能有：配置及诊断、蓝牙设备的发现、电缆仿真、与外设通信、语音 通信及呼叫控制，以及交换名片和电话号码等。 蓝牙技术的应用范围相当广泛，可以广泛应用于局域网络中各类数据及语音 设备，如p c 、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和 8 嵌入式蓝牙系统的低功耗研究 高品质耳机等，蓝牙的无线通讯方式将上述设备连成一个微微网( p i c o n e t ) ，多个 微微网之间也可以进行互连，从而可以实现各类设备之间随时随地的进行通信。 应用蓝牙技术的典型环境有无线办公环境、汽车工业、信息家电、医疗设备以及 学校教育和工厂自动控制等。目前，有很多蓝牙产品已经问世，一些芯片厂商已 经开始着手改进具有蓝牙功能的芯片。与此同时，一些颇具实力的软件公司或者 推出自已的协议栈软件，或者与芯片厂商合作推出蓝牙技术实现的具体方案。尽 管如此，蓝牙技术要真正普及开来还需要解决以下几个问题：首先要降低成本； 其次要实现方便、实用，并真正给人们带来实惠和好处；第三要安全、稳定、可 靠地进行工作；第四要尽快出台一个有权威的国际标准。一旦上述问题被解决， 蓝牙将迅速改变人们的生活与工作方式，也会大大提高人们的生活质量。 2 3 低功耗设计方法分析 功耗问题是近几年来人们在嵌入式系统的设计中普遍关注的难点与热点【6 1 ， 它严重地制约着嵌入式系统的应用与发展。 2 3 1 功耗产生的原因 半导体工艺有c m o s 和t t l 两种，它们的特点各有不同。传统上，t t l 工 艺比c m o s 工艺的速度快，但是现在随着工艺的发展，c m o s 工艺的速度不断提 高，而且具有低功耗、高集成度的特点。因此目前几乎所有的嵌入式处理器c p u 都使用c m o si 艺制作。 c m o s 设备的简单门电路结构由两个m o s 晶体管组成，一个n 型，一个p 型。p 型在上，n 型在下，她们象图腾柱一样堆叠在一起，两种晶体管的行为象 个完美的开关。当输出是高电平，即逻辑电平是1 时，p 型晶体管就关闭，n 型 晶体管就连接到输出以提供输出电压，门电路把电压输出到电路的其余部分。当 逻辑电平是0 时，情况刚好相反。如果电路是静态的，电能损失相当少。事实上， 如果这种设备没有其固有的在室温或更高温度下产生的极少的漏电流，它的功耗 几乎为零。 当电路切换时，正如在c p u 中无时无刻不在发生的一样，事情就有所不同了。 当门电路切换逻辑电平时，n 型和p 型晶体管具有同时打开的一段时间。在这段 时间，电流通过这两个晶体管从电源线流到地线。电流流动意味着电能消耗，这 意味着发出热量。时钟速度越快，每秒发生的切换次数就越多，也就意味着更多 的电能损失。 2 3 2 与系统功耗有关的因素 与功耗有关的因素很多，下面列举其中的一些因素。 第二章嵌入式蓝牙系统介绍及低功耗设计方法分析 9 ( 1 ) 系统的性能指标、负载能力、被处理信号的工作频率、电路的工作频率、 电源的管理水平、零部件的性能、散热条件、接口的物理性能等对系统功耗起着 重要的作用。在大多数电子系统中，产生功耗的主要部件是集成电路，其功耗取 决于电路的基底技术、封装密度、供电电压、工作频率、外部环境、电路的性能 指标、接口技术等。 集成电路的功耗主要由4 个方面组成：开关功耗、短路功耗、静态功耗、漏 电流功耗。 开关功耗是对电路中的电容充放电形成的。其表达式为： ，伽，。= a c v d d 。厂 式( 2 1 ) 式中，为电源电压；c 为被充放电的电容；口为活动因子，表示电容充放 电的平均次数相对于开关频率的比值：f 为开关频率。 短路功耗是在开关时由电源到地形成的通路造成的。其表达式为： 匕= 七形矿式( 2 2 ) 式中，k 是由工艺和电压决定的；形为晶体管的宽度：f 为输入信号上升厂f 降的时间；f 是工作频率。 静态功耗是指在电路稳定时由电源到地的电流所形成的功耗。漏电流功耗是 由亚阈值电流和反向偏压电流造成的。目前集成电路主要以c m o s 为主，在这类 电路中开关功耗是整个电路功耗的主要组成部分。其次是短路功耗，而静态功耗 和漏电流功耗在大多数情况下可忽略。集成电路的设计是一个追求多设计目标( 性 能、面积和功耗) 的过程。功耗的优化不是孤立的，功耗优化的技术和方法是与 其他设计目标相互约束并有机会结合的。 ( 2 ) 电阻上消耗的功率，它通常为负载器件和寄生元件产生的功耗。不管采用 何种技术，都或多或少地存在这方面的功耗。 ( 3 ) 有源器件的正常工作模式可用一条转移曲线和某些i - - v 特性来描述，工 作点电压与电流的乘积是功率的函数，对有源器件都适用。如上所述，有源开关 器件在状态转换时，电流和电压比较大，将引起功率损耗。 ( 4 ) 在c m o s 电路中，最大功耗来自于内部和外部电容的充放电。根据电路理 论，可以计算后级门电路等效负载电容( 包括电路封装和p c b 导线形成的分布电 容) 充放电所需的功率。 2 3 3 降低功耗的措施 为了满足低功耗这一特性，必须在设计的每一部分及设计的每一阶段减少能 量消耗。首先，描述一下系统设计依据的一个能量等式： p = v 2 7 厂? c + 只龇 式( 2 - 3 ) 式中：v 2 7 厂? c 是动态能量消耗，它大体上是由设计者控制的；只础与集成 l o 嵌入式蓝牙系统的低功耗研究 电路的静态电流有关，它取决于元件的特性、温度及供给的电压；矿为工作电压； 厂是工作频率；c 是电容负载；“? 表示功耗虽然不是与其中的因素成正比，但 是这些因素越大，功耗越大r 7 1 。 分析以上等式，能量消耗与电压的平方有关系。因此，只需要轻微降低电压 就可以显著地减少能量消耗。同样，电能消耗与工作频率成比率，当工作频率逐 渐向0 逼近时，能量消耗的动态部分也向0 靠近。正是由于这个原因，应选择的 处理器速度最好与相应的应用所需的速度相当，否则如果采用的频率太高将造成 极大的浪费，电池的寿命也将大大缩短。与此同时，c p u 时钟速度的良好管理也 能节省不少能量。如果为了适应一个计算敏感性进程而把c p u 时钟固定在一个很 高的值上，当系统在执行另一个敏感性不强的进程时将损失大量的能量。最后， 电容及元件的选择对电能消耗也有影响。 综上所述，可引入以下4 个主要的优化措施：动态电源管理、动态电压缩放、 低功耗硬件设计、低功耗软件设计。 ( 1 ) 动态电源管理 动态电源管理( d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ，d p m ) 技术有选择地把闲置的 系统部分置于低功耗状态，从而有效地利用电能。d p m 基于下面的假设： 系统在各个部分的工作负载不相同 系统在每个工作时刻的负载不相同 工作负载可以预测 一个电源管理系统可以用一个电源状态机来模拟，状态机的每个状态表示电 源消耗情况及相应的系统性能。状态之间的转换需要一定的能量及延迟。一般来 说，如果在一个状态上耗能低，系统性能也较低，转换的延迟时间也较长。 ( 2 ) 动态电压缩放( d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g ，d v s ) 动态电压缩放是基于器件工作电压越高，则功耗越高的原理。 动态电压缩放就是允许电压调节例程( v o l t a g es c h e d u l e rr o u t i n e ) 在运行时 改变c p u 的操作电压。电压调节例程首先分析系统状态，然后决定最佳的工作电 压。 另一个减少能耗的渠道是降低时钟频率。虽然这种方法可减少电源消耗，但 并不能显著地改变能量消耗，因为能量消耗与执行时间成正比。在降低电压的同 时改变时钟频率可改变c p u 的单操作耗能量，减少完成特定数量工作所需的能 量。 ( 3 ) 低功耗硬件设计 动态电源管理和动态电压缩放着眼于提高系统能源的利用率，使系统在工作 的时候消耗能源，在不工作的时候处于节能状态。除此之外，可以采用特定的方 法来实现系统硬件和软件的节能设计。 第二章嵌入式蓝牙系统介绍及低功耗设计方法分析 1l 选择低功耗的处理器 可采用现成的产品，如附带m m x t m 的1 6 6 m h z 和2 6 6 m h z 低功耗奔腾处理 器。在奔腾处理器家族中这些处理器耗能最少，它们为嵌入式系统设计提供了简 化且低开销的热管理方案。当核心电压为1 9 v 、i o 电压为2 5 v 、系统在2 6 6 m h z 时的最大电能消耗仅仅是7 6 w 。 选择低功耗的外部器件 嵌入式系统的组成部分除了处理器外，还包括一些数字逻辑来将处理器与其 他子系统组合在一起。现代c m o s 离散逻辑家族拥有很低的动态电能消耗和几乎 可以忽略的静态消耗。目前，有不少可选的逻辑家族，但它们往往是能量消耗与 速度不可两全其美。7 4 v h c 系列是个不错的选择，它不仅耗能少，而且能满足一 般的微处理器应用。 选择带有低功耗模式的系统 低功耗模式指的是系统的等待和停止模式。处于这类模式下的系统功耗将大 大小于运行模式下的功耗。等待模式下，c p u 停止工作，但系统时钟并不停止， 系统的外围i o 模块也不停止工作；停止模式下，系统时钟也将停止，由外部事 件中断重新启动时钟系统，进而唤醒c p u 继续工作。 ( 4 ) 低功耗软件设计 嵌入式系统的能量消耗既有硬件因素，又有软件因素。在嵌入式系统中，软 件基于硬件平台运行，控制硬件平台的动作，因此，软件对系统的能量消耗有很 大的影响。 引起m p u 电源消耗的众多因素中，存储系统的设计对降低功耗也有很大的 影响。通常，存储器运行有两种状态，读写状态和待机状态，其中待机状态消耗 的功率很小，读写状态消耗的功率较大。基于这一点，可以从下面几个方面考虑 降低系统的功耗。 并行存储。把数据结构映射到多种内存条将影响多字并行装载的可能度， 其中并行装载在提高系统性能的同时，还会起到节能的作用。 代码的存储模式。程序的存取模式对系统的缓存性能影响极大，不恰当的 存取模式会导致缓存失败，对存储器的访问也会相应增加。 代码压缩技术的采用。代码压缩可减少存取的指令数，降低缓存失败的可 能性，也就减少了存储器的动作。这主要是由于访问缓存比存取主存耗能更少， 而且缓存要比主存小的多。 在此引入了代码压缩的概念，在进行指令压缩时，它为指令分配特定的代码， 从而减少总线上的传输量，减少耗能量。在保证压缩性能和解码速度的前提下， 算法努力做到压缩率与总线耗能量之间的平衡，并指出高压缩率并不一定就会有 最低的耗能量。采用这种方法，总线的耗能量将减少3 5 ，且不会带来任何额外 1 2嵌入式蓝牙系统的低功耗研究 的硬件开销。 嵌入式系统的低功耗设计与很多因素相关，要真正设计出满足低功耗要求的 嵌入式系统，需要从系统方案的选择开始就考虑系统的功耗并贯穿于系统设计的 始终，在软、硬件上采取各种可行的措施来达到最佳的效果。 2 4 小结 本章首先介绍了o m a p 5 9 1 0 的硬件结构，包括以a r m 处理器为核心的m p u 子系统和以d s p 处理器为核心的d s p 子系统。然后介绍了蓝牙技术，它以低成 本的近距离无线连接为基础，为固定与移动通信环境建立一个接入点。最后从低 功耗设计产生的原因出发，分析了与系统功耗有关的因素以及降低功耗的措施， 后面所做的工作都是以这些理论和方法为基础进行的实践。 第三章系统电源硬件设计 1 3 第三章系统电源硬件设计 电源在一个系统中担当着非常重要的角色。从某种意义上说，可以看成是系 统的心脏。电源给系统的电路提供持续的、稳定的能量，使系统免受外部的侵扰， 并防止系统对其自身作出伤害。根据本系统的所选处理器和外围设备的要求，共 需要以下几种电压：给处理器供电的1 6 v ；给i o 、存储器供电的3 3 v ；给v g a 显示器的u s b 接口供电的5 v ；给视频编解码供电的3 3 v ；给蓝牙供电的3 1 5 v 。 本章就对系统中各个电路部分的特性进行了分析，然后相应地为它们选择了 合适的电源芯片，保证了系统的正常运行。选择合适的电源芯片和保证电源芯片 的转换效率较高是硬件设计上降低功耗的关键因素之一。 3 1 嵌入式蓝牙系统的供电电路设计 3 1 1 电源芯片分类 ( 1 ) 开关电源 开关电源可分为a c d c 和d c d c 两大类，在便携式电子产品中，开关稳压 电源主要指d c d c 变换器。d c d c 开关电源芯片可分为b u c k 型电源芯片和b o o s t 型电源芯片，也就是所谓的从高到低的电压转换芯片以及从低到高的电压转换芯 片【8 1 。由于器件中有一个工作在开关状态的晶体管( 一般是m o s f e t ) ，故称为开 关电源。开关管工作于饱和导通及截止两种状态，所以开关管功耗小并且与输入 电压大小无关，效率较高( 一般可达8 0 - 9 5 ) 。而且在工艺方面，开关电源芯 片还有体积小的优势。 ( 2 ) 低压差( l d o ，l o wd r o p o u t ) 线性稳压器 所谓线性稳压电源，是指在稳压电源电路中的调整功率管工作在线性放大区。 调整管本身的功耗与输出电流成正比，调整管集射极的管压降等于输入与输出电 压差。这样一来，调整管本身的功耗不但随输出电流的增大而增大，而且还随输 入与输出电压差的增大而增大，使调整管的温度急剧升高【9 1 。工作在线性放大状 态的线性稳压电源电路，具有稳压和滤波的双重作用，而且其工作频率也较低， 为公频5 0 h z ，因而串连线性稳压电源不产生开关噪声和干扰，并且输出的纹波电 压也较低。 3 1 2 处理器的供电电路 o m a p 5 9 1 0 的核心电压为1 6 v ，在设计时曾试图用开关电源t p s 6 5 0 1 0 提供 核心电压，此时o m a p 5 9 1 0 正常工作，但是却使蓝牙信号连接不正常，后改用 1 4 嵌入式蓝牙系统的低功耗研究 l d o 线性电源供电即可。初步推测是由于t p s 6 0 6 5 0 使o m a p 5 9 1 0 与蓝牙c l a s s 2 模块之间的u s b 信号发生了畸变。 t p s 7 6 7 0 1 是一个低压差线性电源【1 0 1 ，其主要性能如下： 负载电流高达1 a 的低压差电压转换器 8 5 1 t a 超低的静态电流 快速的静态响应和过热保护 由于p m o s 器件可当作一个低阻值的电阻，所以它的压差是非常低的并且它 的压差直接与输出电流成正比。另外，因为p m o s 是电压驱动器件，静态电流是 非常小的并且静态电流的大小与输出负载无关。以上两个特征对于t p s 7 6 7 0 1 用 于电池供电系统的性能有很大提