低功耗射頻微系統(tǒng)時(shí)鐘動(dòng)態(tài)切換方法

朱詩孝， 章增優(yōu)

(1.溫州大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，浙江 溫州 325003；2.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與傳媒學(xué)院，浙江 溫州 325003)

0 引 言

射頻微系統(tǒng)(RF microsystem，RF-M)具有完整的功能，例如控制功能、監(jiān)測功能、計(jì)算模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1，2]。因此，在RF-M系統(tǒng)中，涉及到照明模塊、探測模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、發(fā)射模塊等多種不同的硬件元件。RF-M應(yīng)用非常廣泛，例如航天、醫(yī)學(xué)、能源、汽車等多個(gè)領(lǐng)域，其最主要的屬性是低功耗、低噪聲、智能化等。2016年，RF-M的市場份額在100億左右[3]。

目前RF-M系統(tǒng)研究尚未形成成熟的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)[4～9]， 本文主要基于以上思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同之處為：1)研究對(duì)象主要是裸片，其內(nèi)部未集成功耗評(píng)估和溫度監(jiān)測模塊，無法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)形式的控制；2)RF-M系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用嵌入式元件，有別于數(shù)字邏輯單元可執(zhí)行邏輯計(jì)算。因此，不能通過自身獲得功耗情況；3)裸片集成并不具備低功耗的支持模式，一定程度上限制了RF-M系統(tǒng)的應(yīng)用。本文利用局部位置的系統(tǒng)時(shí)鐘的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)切換，對(duì)芯片運(yùn)行切入點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)芯片時(shí)鐘進(jìn)行動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整，從而獲得芯片運(yùn)行功耗的降低。

1 低功耗時(shí)鐘動(dòng)態(tài)切換策略

1.1 芯片時(shí)鐘動(dòng)態(tài)調(diào)整

數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing,DSP)芯片在實(shí)時(shí)計(jì)算過程中，其晶振輸入具有固定模式，芯片運(yùn)行時(shí)鐘主要由外部晶振元件提供。利用芯片上固有集成的鎖相環(huán)(phase locking loop,PLL)上的CLKIN模塊進(jìn)行接入，利用PLL模塊上的內(nèi)部邏輯對(duì)芯片生成工作時(shí)鐘[10]。本文采用的DSP芯片的引腳結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，SYSCLK1用于向芯片外部的控制器提供時(shí)鐘,SYSCLK2用于向DSP芯片的內(nèi)核部件提供時(shí)鐘，SYSCLK3用于向芯片的EMIF接口提供時(shí)鐘。

圖1 FT6713芯片引腳架構(gòu)

因?yàn)镈SP芯片的晶振部件的輸出值一般恒定，部件一旦接入系統(tǒng)中無法更改頻率輸出值，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)功耗過高的問題。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)系統(tǒng)的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整是獲得低功耗的主要方法。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的RF-M系統(tǒng)所使用的芯片元件，主要基于數(shù)字時(shí)鐘管理(digital clock management,DCM)單元，采用延遲線策略，可對(duì)DSP芯片的頻率和相位進(jìn)行較為精確的時(shí)鐘控制。本文使用反饋系統(tǒng)對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要針對(duì)由芯片溫度偏差導(dǎo)致時(shí)鐘相位偏轉(zhuǎn)進(jìn)行糾正，因此,在DSP芯片中引入DCM進(jìn)行時(shí)鐘頻率的切換可行。如圖2所示。

圖2 基于DCM系統(tǒng)連線

1.2 局部位置的系統(tǒng)時(shí)鐘切換

為實(shí)現(xiàn)DCM模塊運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)鐘頻率，設(shè)計(jì)了一種基于局部位置切換策略的重配置調(diào)整方法：在系統(tǒng)運(yùn)行的不同時(shí)期，對(duì)現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)平臺(tái)的信息配置進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，并在其系統(tǒng)的內(nèi)部對(duì)DCM的計(jì)算邏輯重構(gòu)。FPGA平臺(tái)可支持動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種不同的重構(gòu)策略，前者指對(duì)運(yùn)行時(shí)的FPGA平臺(tái)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)配置策略，這種方式對(duì)系統(tǒng)的影響最小,其在設(shè)計(jì)形式上又有局部和全局兩種不同的重構(gòu)方式，相對(duì)于全局重構(gòu)，局部重構(gòu)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行調(diào)整過程的最小化調(diào)整，對(duì)于模型結(jié)構(gòu)的調(diào)整所需的時(shí)間最少。因此，在本文采用局部調(diào)整策略實(shí)現(xiàn)對(duì)DCM系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率調(diào)整。

FPGA硬件的信息配置一般由幀構(gòu)成，本文采用的芯片的數(shù)據(jù)幀，按照物理資源配置情況可分成6種形式：IOB，CLB，IOI，B1ockRAM，UCLK，B1ock RAM。圖3給出的是所采用的芯片的幀結(jié)構(gòu)示意。

圖3 幀結(jié)構(gòu)示意

其幀數(shù)的總數(shù)為1104，每個(gè)數(shù)據(jù)幀的尺寸為212個(gè)16位字，即424B，數(shù)據(jù)配置的尺寸長度為3744746bit(468080B)。

1.3 時(shí)鐘復(fù)位方法

當(dāng)前研究中[11，12]，對(duì)微系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位研究主要包含兩種方式：按鍵和上電。前者主要基于電阻器實(shí)現(xiàn)RST端子和電源之間的直接連接，利用按鍵實(shí)現(xiàn)復(fù)位脈沖的加載和時(shí)鐘的復(fù)位。后者主要基于阻容對(duì)微系統(tǒng)上電，利用電容器充放電過程中產(chǎn)生的脈沖實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)復(fù)位。兩種復(fù)位形式的具體電路，如圖4所示。

圖4 復(fù)位電路

按照上述兩種復(fù)位類型設(shè)計(jì)，可以將微系統(tǒng)的復(fù)位過程分為異步和同步兩種。前者在復(fù)位過程中，無需有效時(shí)鐘采樣，復(fù)位的主要依據(jù)為是否獲得復(fù)位信號(hào)。后者進(jìn)行復(fù)位的主要依據(jù)為是否在有效時(shí)鐘沿中采集到了復(fù)位信號(hào)。為了更加有效地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化復(fù)位過程，本設(shè)計(jì)了一種新的復(fù)位計(jì)算方法，具體過程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)復(fù)位流程

2 實(shí)驗(yàn)分析

利用本文提出的考慮低功耗的射頻微系統(tǒng)時(shí)鐘動(dòng)態(tài)切換方法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)電路

圖6所示實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)構(gòu)包含單刀多擲開關(guān)(Pin開關(guān))、衰減器、限幅器、濾波器、衰減器、放大器、控制電路、驅(qū)動(dòng)芯片等多個(gè)不同的組件。實(shí)驗(yàn)電路的運(yùn)行輸出數(shù)據(jù)與真實(shí)采集數(shù)據(jù)的對(duì)比情況如圖7所示。

圖7 射頻微系統(tǒng)芯片損耗

由圖7中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：發(fā)射端口采集的損耗實(shí)測值均優(yōu)于-10dB，并且端口特性優(yōu)良。對(duì)比2組曲線數(shù)據(jù)，本文算法的電路的指標(biāo)輸出結(jié)果滿足預(yù)期設(shè)定的要求，也符合系統(tǒng)運(yùn)行的指標(biāo)要求。驗(yàn)證了本文方法在數(shù)據(jù)處理精度上的優(yōu)良性能。

利用探針臺(tái)發(fā)出的微波對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全自動(dòng)測試，可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品指標(biāo)的有效評(píng)估。仿真環(huán)境下和實(shí)測環(huán)境下的增益指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比情況如圖8所示。可知，本文方法在5.5～6.2GHz區(qū)間頻率內(nèi)，系統(tǒng)接收和發(fā)射環(huán)節(jié)的增益輸出實(shí)測值分別高于26dB和35dB，并且兩者之間存在相對(duì)較低的誤差。

圖8 射頻微系統(tǒng)增益輸出

選取文獻(xiàn)[13～15]對(duì)射頻微系統(tǒng)的功耗進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 射頻微系統(tǒng)的功耗對(duì)比 W

根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)，可知本文算法在射頻微系統(tǒng)的功耗指標(biāo)上分別較文獻(xiàn)[13～15]提高了70.5 %，50.6 %和82.1 %，體現(xiàn)了本文方法在功耗性能上的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語

提出了一種考慮低功耗的射頻微系統(tǒng)時(shí)鐘動(dòng)態(tài)切換管理方法，利用局部位置的系統(tǒng)時(shí)鐘的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)切換，對(duì)芯片運(yùn)行切入點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)芯片時(shí)鐘進(jìn)行動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整，降低了芯片運(yùn)行功耗。通過該設(shè)計(jì)方式，可對(duì)低功耗微電機(jī)的研究起到一定參考價(jià)值。下一步，將主要集中在算法優(yōu)化和真實(shí)硬件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中。

[1] Cornelius T Healy,Rodrigo C de Lamare.Design of LDPC codes based on multipath EMD strategies for progressive edge grow-th[J].IEEE Transactions on Communications,2016,64(8):3208-3219.

[2] Tanveer Hussain,Abdul Jabbar,Shakeel Ahmed.Comparison of regression and adaptive neuro-fuzzy models for predicting the compressed air consumption in air-jet weaving[J].Fibers and Polymers,2014,15(2):390-395.

[3] Wu Yin,Eric Van Dijk,Luke Clark.Missed losses loom larger than missed gains:Electrodermal reactivity to decision choices and outcomes in a gambling task[J].Cognitive,Affective,& Behavioral Neuroscience,2016,16(2):353-361.

[4] Nammee Kim,Heesang Kim.Spin filtering in magnetic barrier structures with in-plane spin orientation[J].Journal of the Korean Physical Society,2015,66(2):256-260.

[5] Komaty A,Boudraa A O,John P Nolan.On the behavior of EMD and MEMD in presence of symmetric a stable noise[J].IEEE Signal Processing Letters,2015,22(7):818-822.

[6] 韓永朋,安 勇,牟榮增,等.基于自動(dòng)校準(zhǔn)的WSNs時(shí)間同步算法[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(8):128-130.

[7] Hyun Ah Kim,Seung Jin Kim.Mechanical properties of worsted fabrics for emotional garment to the rapier loom characteris-tics[J].Fibers and Polymers,2013,14(12):2163-2168.

[8] 馮 李,張立軍,鄭堅(jiān)斌,等.基于字線負(fù)偏壓技術(shù)的低功耗SRAM設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2017,25(8):115-123.

[9] 張振鵬,張立軍,鄭堅(jiān)斌,等.基于AOCV的低功耗標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2017,25(7):134-138.

[10] Xie Xuan,Kong Lingcheng,Wang Yuxi,et al.Coupled vibrations and frequency shift of compound system consisting of quartz crystal resonator in thickness-shear motions and micro-beam array immersed in liquid[J].Applied Mathematics and Mechanics,2015,36(2):225-232.

[11] 陳 妮,黃代政,張國棟.人體生理參數(shù)測量系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng),2017,36(3):80-83.

[12] Emanuele Boatta,Christine Jahn,Matthieu Canuet,et al.Erratum to:Pulmonary arteriovenous malformations embolized using a micro vascular plug system:Technical note on a preliminary expe-rience[J].Cardio Vascular and Interventional Radiology,2017,40(1):152-159.

[13] Jin Yuzhen,Deng Ruoyu,Jin Yingzi,et al.Research on the response characteristics of solenoid valve of the air-jet loom by simulation[J].Journal of Thermal Science,2013,22(6):606-612.

[14] 陳孟元,周 婭,郎 朗.高精度低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(10):125-127.

[15] Dulange S R,Pundir A K,Ganapathy L.Prioritization of factors impacting on performance of power looms using AHP[J].Journal of Industrial Engineering International,2014,10(4):217-227.