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鐵路交通信息系統PDA的低功耗設計
引言
PDA即Personal Digital Assitant（個(gè)人數字助理）的縮寫(xiě)，是近年來(lái)繼尋呼機和移動(dòng)電話(huà)之后，在國內市場(chǎng)迅速崛起的便攜式電子產(chǎn)品。目前，國內傳統性能的PDA產(chǎn)品經(jīng)過(guò)前幾年的高速發(fā)展后，市場(chǎng)需求基本飽和。不過(guò)，經(jīng)過(guò)行業(yè)應用改造后的PDA產(chǎn)品，如文曲星、藍火等已經(jīng)在國內市場(chǎng)大顯身手了。分析市場(chǎng)需求，我們研發(fā)了集成傳呼功能的、專(zhuān)門(mén)面向交通行業(yè)應用的鐵路交通信息系統PDA。本PDA系統除了具備傳統PDA的個(gè)人名片管理、辭典檢索、信息速記功能外，更重要的是提供交通領(lǐng)域的民航各種航班查詢(xún)和全國鐵路列車(chē)的刻表查詢(xún)，通過(guò)傳呼系統及時(shí)廣播鐵路和民航行業(yè)應用方面的如航班晚點(diǎn)、車(chē)次晚點(diǎn)、剩余票額等相關(guān)行業(yè)信息。
PDA系統屬于便攜式電子產(chǎn)品。這類(lèi)產(chǎn)品，
性能指標日益向實(shí)用化、方便化發(fā)展。產(chǎn)品不僅要求功能完備，用戶(hù)界面友好，操作方便簡(jiǎn)潔，而且要求產(chǎn)品壽命長(cháng)，功耗低。
產(chǎn)品低功耗設計一般從硬件和軟件兩個(gè)角度來(lái)考慮。本文重點(diǎn)闡述該PDA系統所采用的降低系統功耗的各種措施。
1 鐵路交通信息系統PDA的體系結構
在分析本PDA系統的功能性和非功能需求，充分了解市場(chǎng)硬件行性的基礎上，設計了本PDA系統，其硬件體系結構框圖如圖1所示。
嵌入式處理器EP7211（核心模塊）進(jìn)行數據處理，傳呼譯碼芯片接收傳呼信息并根據傳呼協(xié)議自動(dòng)譯碼；LCD提供數據顯示輸出，觸摸屏提供用戶(hù)輸入接口；Flash用來(lái)存儲可執行應用程序和數據；SRAM為程序運行提供內存空間；語(yǔ)音錄放電路完成快速語(yǔ)音記憶功能；串口和紅外口完成相關(guān)的數據通信工作；電源電路為嵌入式處理器和各外圍設備提供所需要的工作電壓。
嵌入式處理器EP7211是Cirrus Logic公司專(zhuān)門(mén)為低成本、超低功耗的嵌入式應用設計。它包含基于RISC體系結構的ARM7TDMI處理器內核和豐富的外圍接口，如CODEC音頻接口、SPI串行A/D接口、單色LCD接口、RAM接口、串行紅外接口、PWM接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC以及電源檢測接口等。這些豐富的外圍接口，不僅降低了系統的設計難度，同時(shí)也提高了系統工作的可靠性。EP7211的內核電路工作在2.5V，而外圍電路工作在3.3V。它可根據具體情況對內核的時(shí)鐘進(jìn)行動(dòng)態(tài)編程控制，可工作在18MHz、36MHz、49MHz和74MHz。另外，EP7211還有三種基本的工作狀態(tài)：正常操作（operating）、空閑（idle）和等待（standby）。在等待模式時(shí)，主時(shí)鐘被關(guān)斷，整個(gè)CPU及相關(guān)外圍（除中斷和RTC）關(guān)斷，但可通過(guò)觸摸屏中斷、傳呼中斷或復位按鈕來(lái)喚醒。
系統軟件開(kāi)發(fā)平臺采用了我們自主開(kāi)發(fā)研制的、專(zhuān)門(mén)面向嵌入式應用系統開(kāi)發(fā)的XGW平臺。XGW開(kāi)發(fā)平臺措鑒Windows消息驅動(dòng)機制，是用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)實(shí)現的；它功能強大，模塊化設計，擴展性強，產(chǎn)品升級容易，而且開(kāi)發(fā)人員較為熟悉，開(kāi)發(fā)成本低，其總體框架如圖2所示。
圖2全面反應了XGW軟件開(kāi)發(fā)平臺的體系結構，包括事件消息驅動(dòng)機制（XGW軟件開(kāi)發(fā)平臺中的消息分為鼠標消息、鍵盤(pán)消息和定時(shí)器消息等三類(lèi)）、內存管理、字符和圖形顯示輸出、圖形組件庫等。圖形組件庫中的編輯框、列表框、按鈕、進(jìn)度條等圖形控件為用戶(hù)應用程序開(kāi)發(fā)提供了應用編程接口A(yíng)PI。不過(guò)，XGW平臺對于系統硬件的中斷響應沒(méi)有提供統一的入口和出口，需要開(kāi)發(fā)人員單獨處理。
2 硬件低功耗
硬件低功耗主要從芯片制造工藝流程和硬件體系架構的角度出發(fā)，基本原理是盡量選用能夠滿(mǎn)足功能要求的功耗低的芯片。不過(guò)，芯片自身的功耗參數由制造廠(chǎng)商來(lái)決定，此處主要闡述CMOS芯片動(dòng)態(tài)功耗以及動(dòng)態(tài)電源管理兩個(gè)方面。
(1)CMOS芯片動(dòng)態(tài)功耗
隨著(zhù)半導體制造技術(shù)的發(fā)展，數字電路從TTL工藝轉向CMOS工藝。TTL工藝為電流注入型電路，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流消耗接近。CMOS工藝是壓控型的，理想情況下("0"、"1"的恒定狀態(tài))靜態(tài)電流為0，實(shí)際情況下也是很小的。動(dòng)態(tài)("0"、"1"間的跳變狀態(tài))電流消耗占絕對主導地位。CMOS動(dòng)態(tài)功耗計算公式為
式中： Pd--CMOS芯片動(dòng)態(tài)功耗；
Ce--CMOS芯片等效電容；
V--CMOS芯片工作電壓；
f--CMOS芯片工作頻率或工作狀態(tài)的切換頻率。
從式（1）及各參數含義看，CMOS芯片動(dòng)態(tài)功耗的數值正比于工作電壓的平方，同時(shí)正比于工作頻率。在滿(mǎn)足系統功能需求的條件下，
降低芯片工作電壓和工作頻率，都可以極大減少芯片的動(dòng)態(tài)功耗。以處理器工作頻率為例，如果工作頻率降低一半，則該芯片動(dòng)態(tài)功耗幾乎也隨之減半。在本PDA系統中，盡管ARM7處理器提供了18MHz、；36MHz、49MHz和74MHz四種工作頻率，但我們采用2.5V為低壓供電，18MHz工作頻率。這些參數在降低系統功耗的同時(shí)，也滿(mǎn)足了系統性能的需求。
（2）動(dòng)態(tài)電源管理
動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)是指有選擇地將閑置的系統模塊置于低能狀態(tài)。一個(gè)較為復雜的嵌入式系統，除了處理器外還有很多外設電路模塊，它們協(xié)調工作，共同完成系統功能。 但在分析完成系統功能的過(guò)程中可以看出，并不是所有模塊在任何時(shí)間都處在工作狀態(tài)。除了嵌入式處理器外，絕大多數外設模塊都是在執行某項具體功能的時(shí)候（它自己的有效操作期間）才需要供電。如音頻模
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