无线传感器网络SOC芯片的低功耗设计

1. 引言

无线传感器网络（WSNs）集成了传感器技术，嵌入式计算技术，无线网络通信技术，分布式信息处理技术以及微机电技术，是当前的一个研究热点。无线传感器网络可以在广泛的应用领 域内实现复杂的监测和追踪任务，是一种随机分布的集成传感器，数据处理单元和通信的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。无线传感器网络节点一般包括传感单元，嵌入式处理单元，无线通信单元以及电源自供电系统，定位系统等。作为一种特殊的Ad hoc，它除了动态拓扑，自组织，多跳路由，带宽受限等，还具有其一个极为显著的特征：对于能量的限制。所以，网络节点具有低功耗，低成本和小体积的特点。

随着IC制造工艺的迅速发展，片上系统（SOC）得到广泛的应用。SOC把系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路及器件的设计紧密结合，在一块芯片上完成了整个系统。它相对于传统的多IC组成的电子系统有以下几个优势：低功耗、高可靠性（减少芯片对外管脚数，减少外围驱动接口单元与电路板间的信号传递，内嵌的线路可以避免系统干扰）、高集成度。
本文提出了一种无线传感器网络节点的SOC解决方案，分析了无线传感网络节点的体系结构，并从系统级，结构级，RTL级及物理设计几个方面阐述了无线传感网络节点芯片的低功耗设计。

2. SOC片上系统及VLSI低功耗实现

随着IC制造工艺的迅速发展，片上系统（SOC）得到广泛的应用。SOC把系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路及器件的设计紧密结合，在一片完成了整个复杂的系统。它相对于传统的多IC组成的电子系统有以下几个优势：低功耗、可靠性（减少芯片对外管脚数，减少外围驱动接口单元与电路板间的信号传递，内嵌的线路可以避免系统干扰）、高集成度、较少开发成本、较短的开发周期。

VLSI低功耗设计及优化是一个非常复杂的问题，一般从下面几个阶段来考虑：

1． 系统设计阶段。在这个阶段要从软硬件协调设计综合来考虑。在实现应用功能的基础上，来选择哪些功能由硬件来实现，哪些功耗大的操作由软件来执行。同时，在系统设计，还要考虑硬件本身的电源模式：设计睡眠模式及唤醒操作。同时采用功耗管理策略，及变电压技术。

2． 结构层次。采用总线编码技术，主要是通过降低翻转活动来降低功耗。采用并行结构，用面积换性能的同时，可以把工作频率降低下来，以降低功耗。采用流水线结构，这个方法其实为重定时(retiming)的特例，通过缩短关键路径，减少路径上充放电容的数值，来减少功耗。其它的Retiming(重定时)，Unfolding(展开)也可以在算法层次上降低功耗。

3． RTL级。主要通过采用低功耗的综合流程来降低功耗。在这个阶段会加入门控时钟从而降低动态翻转率。

4． 物理设计。采用多电源多阈值电压单元库，及低功耗
物理设计流程及EDA软件。设计多电源域，优化动态功耗来降低功耗。在时钟树综合时，在平衡skew的同时，尽量在翻转率较低的节点插入驱动。

3. 系统层次上的低功耗设计

从软硬件协调工作的角度来考虑，设计出来无线传感器网络节点结构如图 1所示。整个系统通过核心单元RISC CPU核来协调各子模块的通信及工作。TRF6903芯片为低功耗低电压的多频带射频RF收发芯片，它支持315/433/868/915 Mhz可选频段，支持跳频协议，内部完成FSK/OOK调制，速度可达64kbps。TRF6903低功耗的特点使其适合于电池供电，这与网络节点的低功耗要求是一致的。

基带处理单元模块，用来实现基于IEEE 802.15.4协议的物理层及部分数据链路层的功能；数据链路层以上层协议可以采用软件实现可以节省功耗。这是因为复杂的网络层，传输层，应用层如果用硬件实现，虽然在速度上会有所提高，但是硬件复杂度也随之提高，这样必然带来功耗的提高。

图 1无线传感器网络节点SOC设计框图

在系统层次上，RISC CPU核设计了空闲模式及停止模式，来节省功耗。RISC CPU核进入空闲模式或停止模式时，CPU内部时钟停止运行，同时内部寄存器保持数据。