无线传感器网络SOC芯片的低功耗设计

2009-01-09 15:39:15来源: 微计算机信息

1. 引言

无线传感器网络(WSNs)集成了传感器技术,嵌入式计算技术,无线网络通信技术,分布式信息处理技术以及微机电技术,是当前的一个研究热点。无线传感器网络可以在广泛的应用领 域内实现复杂的监测和追踪任务,是一种随机分布的集成传感器,数据处理单元和通信的微小节点,通过自组织的方式构成的无线网络。无线传感器网络节点一般包括传感单元,嵌入式处理单元,无线通信单元以及电源自供电系统,定位系统等。作为一种特殊的Ad hoc,它除了动态拓扑,自组织,多跳路由,带宽受限等,还具有其一个极为显著的特征:对于能量的限制。所以,网络节点具有低功耗,低成本和小体积的特点。

随着IC制造工艺的迅速发展,片上系统(SOC)得到广泛的应用。SOC把系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路及器件的设计紧密结合,在一块芯片上完成了整个系统。它相对于传统的多IC组成的电子系统有以下几个优势:低功耗、高可靠性(减少芯片对外管脚数,减少外围驱动接口单元与电路板间的信号传递,内嵌的线路可以避免系统干扰)、高集成度。
本文提出了一种无线传感器网络节点的SOC解决方案,分析了无线传感网络节点的体系结构,并从系统级,结构级,RTL级及物理设计几个方面阐述了无线传感网络节点芯片的低功耗设计。

2. SOC片上系统及VLSI低功耗实现

随着IC制造工艺的迅速发展,片上系统(SOC)得到广泛的应用。SOC把系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路及器件的设计紧密结合,在一片完成了整个复杂的系统。它相对于传统的多IC组成的电子系统有以下几个优势:低功耗、可靠性(减少芯片对外管脚数,减少外围驱动接口单元与电路板间的信号传递,内嵌的线路可以避免系统干扰)、高集成度、较少开发成本、较短的开发周期。

VLSI低功耗设计及优化是一个非常复杂的问题,一般从下面几个阶段来考虑:

1. 系统设计阶段。在这个阶段要从软硬件协调设计综合来考虑。在实现应用功能的基础上,来选择哪些功能由硬件来实现,哪些功耗大的操作由软件来执行。同时,在系统设计,还要考虑硬件本身的电源模式:设计睡眠模式及唤醒操作。同时采用功耗管理策略,及变电压技术。

2. 结构层次。采用总线编码技术,主要是通过降低翻转活动来降低功耗。采用并行结构,用面积换性能的同时,可以把工作频率降低下来,以降低功耗。采用流水线结构,这个方法其实为重定时(retiming)的特例,通过缩短关键路径,减少路径上充放电容的数值,来减少功耗。其它的Retiming(重定时),Unfolding(展开)也可以在算法层次上降低功耗。

3. RTL级。主要通过采用低功耗的综合流程来降低功耗。在这个阶段会加入门控时钟从而降低动态翻转率。

4. 物理设计。采用多电源多阈值电压单元库,及低功耗
物理设计流程及EDA软件。设计多电源域,优化动态功耗来降低功耗。在时钟树综合时,在平衡skew的同时,尽量在翻转率较低的节点插入驱动。

3. 系统层次上的低功耗设计

从软硬件协调工作的角度来考虑,设计出来无线传感器网络节点结构如图 1所示。整个系统通过核心单元RISC CPU核来协调各子模块的通信及工作。TRF6903芯片为低功耗低电压的多频带射频RF收发芯片,它支持315/433/868/915 Mhz可选频段,支持跳频协议,内部完成FSK/OOK调制,速度可达64kbps。TRF6903低功耗的特点使其适合于电池供电,这与网络节点的低功耗要求是一致的。

基带处理单元模块,用来实现基于IEEE 802.15.4协议的物理层及部分数据链路层的功能;数据链路层以上层协议可以采用软件实现可以节省功耗。这是因为复杂的网络层,传输层,应用层如果用硬件实现,虽然在速度上会有所提高,但是硬件复杂度也随之提高,这样必然带来功耗的提高。

图 1无线传感器网络节点SOC设计框图

在系统层次上,RISC CPU核设计了空闲模式及停止模式,来节省功耗。RISC CPU核进入空闲模式或停止模式时,CPU内部时钟停止运行,同时内部寄存器保持数据。

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关键字:SoC  无线传感

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2009/0109/article_423.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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