短距離無線資料低功耗傳輸協議研究

 

短距離無線資料低功耗傳輸協議研究

[日期：2008-9-4]

來源：單片機與嵌入式系統應用   作者：王琢玉 方晨 劉昊

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 短距離無線資料轉送是一種線纜替代技術，在當前很多領域（如工業生產、醫學監護、科學研究等）都得到了廣泛的應用。它的出現，解決了因環境和條件限制而不利於有線布線的問題，同時具有低成本、方便攜帶等優點。然而由於存在高功耗的缺點，使得這技術在很多供電受限的工業現場應用中受到了很大的限制。本文基於 Freescale公司的MC13213硬體平台對短距離無線資料的低功耗傳輸協議進行了研究，在保證資料可靠傳輸的同時，極大地降低了裝置的功耗。

1  主要晶片介紹

    MC13213是Freescale公司推出的一款SoC晶片，它主要由微處理器和射頻模組兩部分組成。微處理器採用8位的HCS08核心，整合了1個 SPI(Serial Peripheral Interface)介面、1個8路的8/10位A/D轉換器、2個TPM(Timer/PWM)模組、2個SCI(Serial Communication Interface)介面、2個I2C和1個8路的KBI(Keyboard Interrupt)介面。射頻模組的工作頻段是2.4 GHz，通過SPI匯流排與處理器通訊。其主要特點有：

    ◆ 採用2.4 GHz頻段，其設計構架符合IEEE 802.15.4協議；
    ◆ 接收靈敏度<-92 dBm,發送功率為-28.7~+3.4 dBm可調；
    ◆ 擁有0～15(共16)個可選工作通道；
    ◆ 採用直接序列擴頻（direct sequence spread spectrum）的二進位編碼方式，增強了抗幹擾能力；
    ◆ 採用OQPSK數字相移鍵控調製技術，大大降低了資料轉送的誤碼率；
    ◆ 採用免衝突的偵測載波多址接入(CSMACA)機制，避免了資料轉送過程中的衝突。

2  硬體系統設計

    1所示，整個系統硬體結構由4部分組成：RS232/485匯流排介面單元、資料處理單元、射頻收發單元和電源管理單元。

圖1  短距離無線資料轉送模組硬體結構圖

    一方面，PC/儀器儀錶通過RS232/485匯流排將資料傳送給MCU處理器，處理器將資料包進行適當處理後送給射頻模組發送出去；另一方面，射頻模組將接收到的資料送給MCU處理器，處理器經過解包處理後再通過RS232/485匯流排將資料送給PC/儀器儀錶。

    工業中的儀器儀錶大多都採用RS485匯流排通訊方式，因此無線資料轉送裝置提供RS232/485可選通訊介面，既方便串連PC機，又滿足了一般儀器儀錶的要求，串口傳輸速率為1 200～115 200 bps可調。

3  軟體設計和低功耗通訊協定研究

    無線資料轉送裝置的一般工作流程2所示。在進行相關初始化之後就進入主迴圈，對射頻模組和串口進行輪詢：當射頻模組接收到資料包時就進行解包，然後送到RS232/485匯流排；當串口接收到從RS232/485匯流排上發來的資料時，就進行相關處理並送入射頻模組發送出去。這種輪詢的方式結構簡單，實現方便。

圖2  短距離無線傳輸裝置軟體流程

    然而，在這種工作方式下，射頻模組就必須時刻監聽通道。在2.7  V工作電壓、處理器時鐘頻率為2 MHz時，MC13213的射頻模組接收工作電流IRF(Rx)≈37 mA，處理器以及外圍器件的工作電流Imcu≈2 mA，因此裝置的正常工作電流I≈39 mA，這個電流對於一些供電受限的工業應用顯然是不能夠接受的。為了降低無線傳輸裝置的功耗，需要對裝置之間的傳輸協議作適當的改進。

    由於在大部分的時間裡裝置之間沒有進行資料轉送，因此射頻模組一直處於接收狀態是一種資源浪費。而裝置本身不知道對方何時有資料轉送過來，因此裝置之間約定在特定的時間段內進行資料轉送，而其餘時間休眠。

    這樣一種約定需要一種同步機制。我們採用信標同步機制：一個裝置定時發送一個稱為“信標(Beacon)”的資料包，即信標幀。另一個裝置通過接收該信標幀來實現同步。我們將發送信標幀的裝置稱為“主裝置”，接收信標幀的裝置稱為“從裝置”。通過信標幀，即可實現從裝置和主裝置之間的同步。

    在該協議中，有3種類型的資料包：信標幀、資料請求幀和資料幀。信標幀和資料幀的幀頭包含有是否有資料待傳的資訊。

    實現同步之後，主裝置和從裝置之間就約定進入休眠時間（Tsleep）。在休眠期間射頻模組深度睡眠(雖然關閉射頻模組後功耗會更低，但喚醒時間太長)，處理器處於超低功耗狀態，只有串口處於接收狀態。休眠時間結束後，主裝置就會醒來，並且射頻模組向外發送信標幀。信標發送完後，射頻模組立即進入接收狀態。從裝置從休眠中醒來後立即喚醒射頻模組進行信標偵聽，當接收到主裝置發送過來的信標後，就會判斷主裝置是否有資料待傳。如果有，就向主裝置發送資料請求幀；否則，從裝置就會將自己串口接收到的資料通過射頻模組發送給主裝置，直到資料發送結束進入下一個周期的休眠時間（Tsleep）。主裝置接收並處理從裝置發送的資料幀，並通過資料幀的幀頭判斷是繼續等待還是進入下一周期的休眠時間。當主、從裝置都沒有資料需要進行傳輸時，從裝置接收到信標後直接進入下一周期的休眠時間，而主裝置等待Twait後沒有收到從裝置的任何資料，也會進入下一個周期的休眠時間。在這種情況下，由於從裝置會比主裝置早休眠 Twait的時間，因此從裝置的休眠時間為Twait+Tsleep。另外為了防止失去同步，從裝置醒來後就將射頻模組設定為接收狀態，直到接收到信標幀，或者逾時繼續進入休眠。這個逾時閾值至少為Tsleep，從而保證了重新同步。如果從裝置N次都沒有收到信標幀，可以認為周圍沒有主裝置，因此可以進行一次長時間的休眠Thibernate。具體流程3所示。

圖3  低功耗改進後的主、從裝置軟體流程

    經過該協議最佳化後，主、從裝置在一個周期內的工作狀態4所示。

    改進前的平均工作電流：

圖4  改進前後主從裝置無資料轉送時一個周期內的工作狀態

    改進後的平均工作電流：

表1  2.7 V工作電壓下測得的主、從裝置工作電流

    其中：

    射頻模組接收狀態時的工作電流IRF(Rx)≈37 mA；
    射頻模組發送狀態時的工作電流IRF(Tx)≈30 mA；
    射頻模組深度睡眠的工作電流IRF(sleep)≈35 μA；
    處理器正常工作電流Imcu≈2 mA；
    處理器休眠工作電流Imcu(sleep)≈5 μA；
    射頻模組發送1個資料包需要的最大時間Td≈4 ms。

    因此，當Twait=5 ms，Tsleep=200 ms時，I後（主）≈1.58 mA，I後（從）≈0.79 mA。遠小於改進前的I前≈39 mA。

4  實驗結果和總結

    採用了低功耗的傳輸協議後，在Tsleep分別為200 ms、500 ms和1 s情況下，無資料轉送和每10 s互傳一個資料包時測量得到的電流如表1所列。可見，採用了低功耗的傳輸協議後在保證了資料可靠、穩定傳輸的同時，大大降低了裝置的功耗。休眠時間 Tsleep 增大，功耗就會下降，同時資料轉送的延時性就會增加。而且當只有從裝置在工作時，Tsleep太長反而會增大從裝置的功耗。一般地，只有滿足：

才能保證主裝置不工作時，從裝置功耗不會增加。上式中N表示多次未收到信標就進行一次Thibernate的長時間休眠。在實際應用中可以根據需要找到最優點。