朱詩孝， 章增優(yōu)

(1.溫州大學 數學與信息科學學院，浙江 溫州 325003；2.浙江工貿職業(yè)技術學院 信息與傳媒學院，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、計算模塊和執(zhí)行機構[1，2]。因此，在RF-M系統(tǒng)中，涉及到照明模塊、探測模塊、存儲模塊、數據傳輸模塊、發(fā)射模塊等多種不同的硬件元件。RF-M應用非常廣泛，例如航天、醫(yī)學、能源、汽車等多個領域，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計和制造技術[4～9]， 本文主要基于以上思路進行設計，不同之處為：1)研究對象主要是裸片，其內部未集成功耗評估和溫度監(jiān)測模塊，無法實現閉環(huán)形式的控制；2)RF-M系統(tǒng)在設計中采用嵌入式元件，有別于數字邏輯單元可執(zhí)行邏輯計算。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)的應用。本文利用局部位置的系統(tǒng)時鐘的自適應動態(tài)切換，對芯片運行切入點進行設計，并對芯片時鐘進行動態(tài)自適應調整，從而獲得芯片運行功耗的降低。

1 低功耗時鐘動態(tài)切換策略

1.1 芯片時鐘動態(tài)調整

數字信號處理(digital signal processing,DSP)芯片在實時計算過程中，其晶振輸入具有固定模式，芯片運行時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模塊進行接入，利用PLL模塊上的內部邏輯對芯片生成工作時鐘[10]。本文采用的DSP芯片的引腳結構如圖1所示。

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

圖1 FT6713芯片引腳架構

因為DSP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，導致系統(tǒng)出現功耗過高的問題。因此，在系統(tǒng)設計過程中，對系統(tǒng)的頻率進行實時調整是獲得低功耗的主要方法。目前，國內生產的RF-M系統(tǒng)所使用的芯片元件，主要基于數字時鐘管理(digital clock management,DCM)單元，采用延遲線策略，可對DSP芯片的頻率和相位進行較為精確的時鐘控制。本文使用反饋系統(tǒng)對數字電路進行設計，主要針對由芯片溫度偏差導致時鐘相位偏轉進行糾正，因此,在DSP芯片中引入DCM進行時鐘頻率的切換可行。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)時鐘切換

為實現DCM模塊運行過程中動態(tài)調整時鐘頻率，設計了一種基于局部位置切換策略的重配置調整方法：在系統(tǒng)運行的不同時期，對現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)平臺的信息配置進行動態(tài)加載，并在其系統(tǒng)的內部對DCM的計算邏輯重構。FPGA平臺可支持動態(tài)和靜態(tài)兩種不同的重構策略，前者指對運行時的FPGA平臺執(zhí)行相應的動態(tài)配置策略，這種方式對系統(tǒng)的影響最小,其在設計形式上又有局部和全局兩種不同的重構方式，相對于全局重構，局部重構可實現運行調整過程的最小化調整，對于模型結構的調整所需的時間最少。因此，在本文采用局部調整策略實現對DCM系統(tǒng)的時鐘頻率調整。

FPGA硬件的信息配置一般由幀構成，本文采用的芯片的數據幀，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構示意。

圖3 幀結構示意

其幀數的總數為1104，每個數據幀的尺寸為212個16位字，即424B，數據配置的尺寸長度為3744746bit(468080B)。

1.3 時鐘復位方法

當前研究中[11，12]，對微系統(tǒng)進行復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現RST端子和電源之間的直接連接，利用按鍵實現復位脈沖的加載和時鐘的復位。后者主要基于阻容對微系統(tǒng)上電，利用電容器充放電過程中產生的脈沖實現微系統(tǒng)復位。兩種復位形式的具體電路，如圖4所示。

圖4 復位電路

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

圖5 系統(tǒng)復位流程

2 實驗分析

利用本文提出的考慮低功耗的射頻微系統(tǒng)時鐘動態(tài)切換方法，對系統(tǒng)進行設計。實驗系統(tǒng)的完整結構如圖6所示。

圖6 實驗電路

圖6所示實驗電路的結構包含單刀多擲開關(Pin開關)、衰減器、限幅器、濾波器、衰減器、放大器、控制電路、驅動芯片等多個不同的組件。實驗電路的運行輸出數據與真實采集數據的對比情況如圖7所示。

圖7 射頻微系統(tǒng)芯片損耗

由圖7中實驗數據可知：發(fā)射端口采集的損耗實測值均優(yōu)于-10dB，并且端口特性優(yōu)良。對比2組曲線數據，本文算法的電路的指標輸出結果滿足預期設定的要求，也符合系統(tǒng)運行的指標要求。驗證了本文方法在數據處理精度上的優(yōu)良性能。

利用探針臺發(fā)出的微波對系統(tǒng)進行全自動測試，可實現對樣品指標的有效評估。仿真環(huán)境下和實測環(huán)境下的增益指標數據對比情況如圖8所示?？芍?，本文方法在5.5～6.2GHz區(qū)間頻率內，系統(tǒng)接收和發(fā)射環(huán)節(jié)的增益輸出實測值分別高于26dB和35dB，并且兩者之間存在相對較低的誤差。

圖8 射頻微系統(tǒng)增益輸出

選取文獻[13～15]對射頻微系統(tǒng)的功耗進行對比分析，實驗結果如表1所示。

表1 射頻微系統(tǒng)的功耗對比 W

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

3 結束語

提出了一種考慮低功耗的射頻微系統(tǒng)時鐘動態(tài)切換管理方法，利用局部位置的系統(tǒng)時鐘的自適應動態(tài)切換，對芯片運行切入點進行設計，并對芯片時鐘進行動態(tài)自適應調整，降低了芯片運行功耗。通過該設計方式，可對低功耗微電機的研究起到一定參考價值。下一步，將主要集中在算法優(yōu)化和真實硬件系統(tǒng)優(yōu)化設計中。

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