鐵路交通信息系統(tǒng)PDA的低功耗設(shè)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(nèi)市場迅速崛起的便攜式電子產(chǎn)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(lǐng)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(yīng)用方面的如航班晚點、車次晚點、剩余票額等相關(guān)行業(yè)信息。 PDA系統(tǒng)屬于便攜式電子產(chǎn)品。這類產(chǎn)品， 性能指標(biāo)日益向?qū)嵱没?、方便化發(fā)展。產(chǎn)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(chǎn)品壽命長，功耗低。 產(chǎn)品低功耗設(shè)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(jié)構(gòu)

　　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(chǔ)上，設(shè)計了本PDA系統(tǒng)，其硬件體系結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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　　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(yīng)用程序和數(shù)據(jù);SRAM為程序運行提供內(nèi)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(guān)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(shè)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(yīng)用設(shè)計。它包含基于RISC體系結(jié)構(gòu)的ARM7TDMI處理器內(nèi)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(shè)計難度，同時也提高了系統(tǒng)工作的可靠性。EP7211的內(nèi)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(nèi)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(guān)斷，整個CPU及相關(guān)外圍(除中斷和RTC)關(guān)斷，但可通過觸摸屏中斷、傳呼中斷或復(fù)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(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的XGW平臺。XGW開發(fā)平臺措鑒Windows消息驅(qū)動機制，是用C語言開發(fā)實現(xiàn)的;它功能強大，模塊化設(shè)計，擴展性強，產(chǎn)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。

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　　圖2全面反應(yīng)了XGW軟件開發(fā)平臺的體系結(jié)構(gòu)，包括事件消息驅(qū)動機制(XGW軟件開發(fā)平臺中的消息分為鼠標(biāo)消息、鍵盤消息和定時器消息等三類)、內(nèi)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(yīng)用程序開發(fā)提供了應(yīng)用編程接口API。不過，XGW平臺對于系統(tǒng)硬件的中斷響應(yīng)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(gòu)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(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路從TTL工藝轉(zhuǎn)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(dǎo)地位。CMOS動態(tài)功耗計算公式為

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　　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(shù)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(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，除了處理器外還有很多外設(shè)電路模塊，它們協(xié)調(diào)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(shè)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(shè)置在電源切斷狀態(tài)。在電路設(shè)計時，需要充分考慮到這個問題，盡可能為各外設(shè)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(guān)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(shè)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(shè)置來控制電源開關(guān)，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(shè)模塊電源口地址配置如表1所列。

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　　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