矿用低功耗Wi―Fi移动终端设计

摘要：采用低功耗的Cortex—M0内核处理器作为嵌入式开发平台的微处理器，设计了基于Wi—Fi技术的矿用移动终端。在软件设计上，根据应用和实时任务要求进行工作模式切换，在完成Wi—Fi数据传输功能的同时，有效地降低了终端的系统功耗。重点分析了Wi—Fi移动终端的软硬件设计思路，尤其是在降低功耗上采取的措施。最后，给出了终端传榆功能和功耗的实际测试结果。
关键词：Wi—Fi；移动终端；低功耗

引言
无线通信作为传统矿井通信与监测的有益补充，越来越受到重视。无线通信技术在煤矿安全生产指挥调度系统中的应用主要包括常规通信和应急通信。正常生产中的应用主要以语音通信为主，同时考虑数据和图像应用，基于Wi—Fi技术的井下移动终端，是新型的井下无线通信设备，Wi—Fi技术具有传输带宽高、通信可靠性好、通用性强、网络部署方便等特点，可以满足大数据量的无线通信应用需求，实现井下的无线音视频通信、定位和环境监测等功能。
使用固定电池供电的Wi—Fi移动终端，如何在满足通信任务的同时，降低终端设备的功耗，延长设备的工作和待机时间，是移动式Wi—Fi终端设备的技术瓶颈。本文提出了一种低功耗Wi—Fi移动终端的设计思路，选用NXP公司低功耗的Cortex—M0内核处理器和Roving Networ ks公司的超低功耗Wi—Fi模组。在实现Wi—Fi无线数据传输功能的同时，通过合理的软硬件措施，可根据不同的应用要求切换选择不同的工作模式，从而在既定的电池能耗限定条件下，有效地延长了移动终端的工作和待机时间，为矿用Wi—Fi移动终端产品的设计提供了一种低功耗设计方案。

1 Wi-Fi移动终端硬件设计
本设计采用NXP公司的低功耗的Cortex—MO内核处理器LPCI227作为主控制器，其在深度睡眠模式，静态电流为2 mA；而在深度掉电模式下，只消耗nA级的静态电流。RN171是一款超低功耗Wi—Fi模组，深度睡眠模式下，整个模组静态电流仅为4μA。它包含2．4 GHz射频电路、32位SPARC(可扩充处理器架构)处理器、完整的TCP／IP协议栈、电源管理和模拟传感接口，具有“主机零负荷”的性能。网络通信协议可以利用其内置的32位SPARC处理器来执行，所以不会对主控制器造成任何负担。

图1为Wi—Fi移动终端的总体硬件设计框图，主要包括Cortex—M0内核锾控制器、Wi—Fi模组RN171，主时钟、低频睡眠时钟和3 V的电源供应。RN171通过SPI或者UART接口与主控制器进行数据通信，主机通过UART口来控制RN171的各项操作和数据传输。
供电单元采用LDO降压芯片，在设计时考虑了芯片的成本、最大电流负荷、电源输入／输出效率和噪声、输入电压范围、输出电压精度和保护特性，尤其把LDO的静态电流作为低功耗供电单元设计的重点因素，采用TOREX公司的XC62FP3002。考虑到陶瓷电容有较优的ESR特性，可以过滤脉动电压抖动影响，设计中同时采用陶瓷电容匹配LDO芯片。
主控制器LPCI227有两个时钟源，12 MHz的主时钟和32 kHz的睡眠时钟，通过LPC1227内部的PLL(锁相环)模块，调整合适的分频和倍频值，使得主控制器能工作在最高50 MHz的主频。32 kHz的睡眠时钟，在移动终端进入低功耗模式时提供时钟基准，很大程度地降低了控制器功耗。LPC1227通过实时时钟来唤醒终端，进入正常工作模式。
由于RN171的RF端口已经有50 Ω的标准阻抗，可以将一个50 Ω的阻抗天线直接连接到RF信号源端。在设计中，借助网络分析仪的帮助，设计了匹配的π型滤波器，以得到更高带宽性能的射频信号接收性能和最佳的驻波比。具体的LC参数值取决于PCB介质特性和电子料的布板。天线设计采用Roving Networks公司官方推荐的PCB走线的布线方式，Roving Networks公司提供了完整的PCB天线的走线方式和尺寸。