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1、建模，设计和实现一个基于低功耗FPGA异步唤醒接收机的无线应用程序Pons Jean-Francois Brault Jean-Jules Savaria Yvon收稿日期：3月20日2013 /修订：2013年6月27日/接受日期：2013年9月6日在线/发布时间：2013年9月28日 这篇文章发表在S并免费获取摘要：功耗是无线传感器网络（WSNs）节点的一个大问题 ，并且它通常是以通信装置的功率消耗为主。对于这样的网络，设备的大部分时间是由电池供电，而且需要具有非常低的功耗。此外，对于无线传感器网络，无线电在空闲或深度睡眠模式下的大部分时间，有限的数据量会定期发送。因此，使用事件触发无线电
2、非常适合，并可能显著降低无线传感器网络的整体功耗。因此，本文探讨了当另一节点发送数据可以唤醒主接收器的异步模块的设计。此外，我们实施所提出的方案，用FPGA为低容量应用降低制造成本，并使其更容易设计， 再利用和提高。为减小静态功耗，我们探索降低电源电压的可能性。所观察到的总功耗在250 kbps时低于5微瓦。此外，使用一个新的异步设计技术，我们观察到，功耗可以进一步降低。关键词：唤醒接收器；异步；低功耗；无线传感器网络；FPGA1引言无线传感器网络（WSNs）在过去的二十年里，是微电子研究最多的领域之一。这是由于先进的低功率射频（RF）收发器架构使无线设备由电池供电1，2可持续数天，数周，甚至
3、数年成为可能。例如，表1总结了基于流行的IEEE802.15.4标准的多个RF收发器的功率消耗，以及在市场上可以见到的RF收发器（也参见图1）。可以从这样的功耗数据可直接推断，在几天的活跃时间里不断利用标准电池供电只有几百毫安差距。同样的观察可能已做了其他行业标准。幸运的是，大多数无线传感器网络的应用程序在他们的活动时间时只需要使用RF收发器。利用闲置，睡眠或大多数微控制器的深度睡眠模式，可有效大量降低功耗。表1可用RF收发器的功耗图1 参考收发器：a SPZB32，b CC2531，c MRF24J40MA和d MRF24J40MB例如，最近的应用程序，如昆虫的启发机器人或智能电表受益于低占
4、空比，因为它们处理的数据是相关的只有稀稀落落地随着时间3的推移。例如，以智能电表为例，它可以采样和发送数据每月甚至每年。然而，低功耗的协议，如IEEE 802.15.44，蓝牙低耗能5，甚至自定义的需要有关讯息是否有在睡眠期间被发送的信息。这是典型的情况，以 RF开关灯为例，当设备可以接收到另一个设备的命令。要做到这一点，最常用的方法是定期唤醒接收器和索要错过的消息。尽管它易于部署，这种技术有一个重大的缺点就是超低功耗所关心的问题：电源效率。这是由于即使没有消息被发送，主接收器也需要被唤醒的事实。再一个可以在两个唤醒之间设置一个长周期（或适应良好的一个），就像在智能电表，为此，也可以事先知道的
5、情况下报告时间和周期。然而，整个系统会缺乏适应性：这可能是一个更新需要在电表运行时进行的这种情况。为了解决这个问题，一些研究6-10已经完成预测，并考虑到信息交换的需要和吞吐量，但毕竟是一些复杂的算法，不可避免地是以显著的能源消耗为代价的。此外周期性唤醒技术需要使用永远在线的部位，如定时器，负责唤醒时间的验证。为了避免耗电算法的需要，并能支持可变的网络数据吞吐量，我们考虑使用一个额外的模块调用唤醒接收器。基本上，这个接收器是为了当一个相关的传入消息已被发现时检测特定的唤醒消息和唤醒主接收器。图2给出了一个通用的无线传感器网络节点体系结构图，包括一个唤醒接收机（WUR）的框图。根据不同的应用，这
6、WUR可直接或通过一个微控制器被唤醒。这样WUR的几个设计可以在文献11-16中找到。然而，大多数时候，该WUR是实现了定制的ASIC，对于低容量应用非常昂贵的。为了应对这种需求，我们探索出现场可编程门阵列（FPGA）上实现了新的异步架构。FPGA提供了减少开发时间和成本的可能性。当有需要改变的应用程序作出响应时，它也比一个特殊应用集成电路（ASIC）更灵活。我们还建议您使用相匹配的唤醒信号的异步设计。对于11-14，16中，数字解调器是同步的，在不活动的阶段是低效的。它可能是像在17,18中一样使用时钟脉冲，但将需要额外的电路，如定时器和信号检测来触发WUR的开始。为了避免这种情况，我们直接
7、使用异步逻辑设计WUR。要做到这一点，我们首先使用NULL公约逻辑（NCL）19，20 对所提出的WUR21作为一个异步设计的指引，然后提出了免费NULL公约逻辑（SHF-NCL）22作为以减少资源使用量，和最终消耗功率为目标的设计异步电路的新方法。图2 WUR在系统架构的位置本文的其余部分安排如下：第二节提供一般WUR有关的背景资料，与所使用的异步设计技术的概述在一起。我们还讨论了双方的FPGA实现和异步电路的优点和缺点。在第三节在细节上呈现所提出的架构。然后在第四节，关于复杂性和功耗结果的提出和讨论，随后在第五节，通过与以前报道的结果进行比较。在第六节，我们将最终总结对所提出的架构和可能的
8、改进方法。2相关信息这部分从调制技术导致了通断键控（OOK）调制的选择的讨论开始。然后，介绍WUR电路在一些应用中的优点，能量消耗模型。最后，对于实现WUR异步设计技术进行了综述。2.1唤醒接收器（WUR）如第1节所述，一个WUR的基本目标是当信息需要接受时唤醒主无线电或单片机。要做到这一点，有趣的是，低功率RF接收器将使用特定的唤醒消息，与更多的能源消耗的架构相比，它包括，例如锁相环（PLL），放大器，混频器和复杂的数字基带。在多种低功耗无线应用，OOK调制是采用了流行的解决方案。它可以被用来调制唤醒消息。如该图所示。图3（a），后面OOK调制的基本思想是将编码逻辑0和1使用存在或不存在的载
9、体。这种调制更大的噪声的一个变型示于图。图3（b）：在逻辑0和1进行编码的载体存在于不同的持续时间。这种类型的调制，利用一个WUR系统的主要优点是易用性，使信号能在低功耗RF前端解调。图3 OOK调制。a、0编码为一个无（降低幅度）的载体，b、0编码为空（幅度较低）携带者相隔时间差距连续位较短的全振幅载体实际上，假设信号具有足够的幅度，一个简单的包络检测器（参见图4）可以被用于解调该信号。然而，对于第二类型的OOK调制的，更多的处理是必要的，以检索所发射的数据。通常，我们可以将一个WUR的结构分为两部分：RF前端和图5所示的解调器。第一个是用于去除载体，而第二个生成唤醒或中断信号。在本文中，我
10、们提出的解调器部分是新的异步解决方案。一个低噪声放大器，滤波器或电荷泵：可以在为了提高灵敏度，如天线和包络检波器之间增加额外的部件。在这项工作中，我们所建议的，使用射频前端消耗低至0.1 uW。我们的研究主要集中在数字的WUR的方面。图4 包络检波器图5 WUR配件2.2能量模型当WUR是可用的，整个系统的能量消耗可以显着改善的一些应用。它主要是取决于无线电通信被使用。为了捕捉的WUR对无线设备的能量消耗的影响的本质，我们提出了本节中的能量模型捕获它们的一些相关的功能。提出的无线传感器网络24的分类是：无线体域网（WBAN），无线数据采集网络，无线定位传感网络（WLSN），无线多媒体传感器网络
11、（WMSN）和无线控制为导向的无线传感器网络（WCOSN）。这种分类也不是那么的典型，当涉及到定义能源模型。事实上，提出的模型而言更具有传输延迟和数据吞吐量。因此，我们提出的各种应用的一种新的分类是比较有代表性的能源消耗配置文件。这种分类是基于射频部分是否被连续地（CCOM），周期性地（PCOM）或在事件触发（ETCOM）的方式使用。在建议的能量消耗模型中使用的符号总结于表2中。表2 所提出的能耗模型中定义的变量预计节点很少CCOM除了那些表现得象数据采集器为一个大组中的其他节点。一个例子是协调员IEEE802.15.44。那些节点必须大部分时间在线，他们应该最好由不竭的动力源供电。然后，可以
12、以表示所需CCOM节点能量为： 第二个模型中涉及的节点有一个PCOM应用程序配置文件，这是经常使用，因为它不需要额外的电路，是一个很好的替代耗电CCOM轮廓。对于这种类型的，而不是让主无线电始终开启的应用，它是定期打开寻求未决消息，然后转身回到关闭，直到下一个唤醒周期。对于PCOM设备，我们提出以下的能量模型PCOM设备可以消耗更少的能量，在延伸电池供电应用的自主权。然而，他们可能欠缺灵活性，能效低下时的消息交换是稀有或随着时间的推移具有随机分布。这是可能的设想操作，其中一个装置的唤醒时间前又变成为关状态设置的模式。然而，在一些应用中最可取的唤醒时间不能在当时被称为该装置被放置在睡眠模式。前面
13、提到智能电表的例子突出的灵活性问题。此外，当需要的反应，不知道什么时候，如果一个事件将要发生，像报警系统，操作PCOM模式主要是效率不高。为应使应用的量随着时间的推移所交换的消息分布是未知的动作的一个ETCOM模式。对于ETCOM设备，我们可以得出以下节能模式：虽然这些模型有相似之处，最后两个模型之间的主要区别来自于一个事实，即在PCOM型，占空比是固定的（尽管有些尝试已经做了适应它），而对于ETCOM类型，它直接取决于消息（或事件）发生。值得注意的是，虽然操作ETCOM模式可以超越PCOM的运作模式，在某些情况下，其数据交换的分布是不疏随着时间的推移，在WUR的不断补充消耗的能量可以使ETC
14、OM模式不太适应。在本文的其余部分，我们将假定有针对性的应用程序需要使用一个WUR的，而ETCOM模型很好地适应。2.3异步设计技术WUR的一个重要特性是，它是永远在线的。因此，其耗电量应尽可能低。方程（3）清楚地表明，该系统是否在OFF模式时，WUR消耗能量。尽管如此，我们区分Ewur|off和Ewur|on作为像异步原有的一些电路，在活动消耗的能量（在接收到唤醒消息时）和非活动模式可能会非常不同。这句话连同唤醒消息的异步特性使我们考虑一个异步电路。对于这种电路的主要优点是，在WUR部没有部活动时，没有唤醒消息被处理。因此，对于发生的可能性很低唤醒消息时，WUR将花费其大部分时间，然而大部分
15、消耗为静态功耗，是由于技术有关的静态泄漏。设计这样一个异步电路，我们采用了一个明确的异步技术：空公约逻辑（NCL）19，20。NCL是所谓准延迟不敏感的技术（QDI），然后更容易地设计和验证电路。其他技术，例如有界延迟，要求该数据流是通过具体的延迟控制。虽然这种解决方案涉及较少的芯片面积，它是很难使用的，重用和验证，并且它是低效率的，因为最坏情况下的延迟限制了工作频率，而QDI实现提供工作频率与电路中的平均延迟成反比。此外，如引言所述，我们决定使用一个与FPGA相比，更昂贵的解决方案，如一个ASIC，尽管它可能更好的动力表现。然而，这种选择主要遵循有低成本和快速原型平台（同时不排除ASIC实现
16、）的愿望。FPGA兼容的选项选择不鼓励使用任何有界延迟技术，因为精确的保证延迟不容易获得，而且可能需要资源的大量。其中如26-28几个异步设计技术，我们选择了NCL来实现我们的异步WUR21，主要是因为实现复杂电路的可能性，而且还因为它是有据可查的，因为它是用于工业。NCL的式是第一款基于该管理所有QDI技术的等时叉的假设：基本成分中，如果一个过渡发生在两个分叉的一个端部与该过渡已被确认，则假定对叉的其他分支的输出已被确认有关时，所有的转换也发生了。所有的模块以管道状的方式排列，与同步电路：异步寄存器之间的组合部分被夹在如在图6中所描绘。此外，管道的两个不同阶段之间的的同步是通过使用数据本身。要做到这一点，对于一个完整的一体需要改变数据的表示 。
