構建節能的環境感知移動系統

摘要：如今的移動系統必須以最快的速度整合并分析多種數據流。不過，由于基于傳感器的“環境感知”子系統永遠在線，他們對系統功耗的要求十分驚人。因此，從系統功耗上來看，必須最高效地處理這些任務。萊迪思公司提出了以低功耗FPGA來管理這些高效任務。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/235416.htm

關鍵詞：環境感知；FPGA；ULD；移動

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.3.003

縱觀最新一代智能手機等移動設備，兩個因素正引領著當今的創新趨勢。其一是低成本傳感器的大量涌現。MEMS制造商們取得的巨大進步正幫助市場降低傳感器的成本和尺寸。其二是智能手機設計師們在開發的新的“環境感知”子系統，使得移動設備能夠在沒有用戶干預的情況下進行預先并且有利于任務的決策。可以說這場革新始于領先的手機制造商開始使用嵌入式接近傳感器來延長電池壽命，以及使用加速度計、陀螺儀和磁力計來支持基于定位的服務。而現在基于傳感器的環境感知子系統的功能相比之前已經大大提升，在許多領域都能模擬人類對所處的環境進行分析。

舉一些例子，高清圖像傳感器和環境光傳感器在環境發生改變時能夠提升圖像清晰度并改善顯示屏的顯示效果。化學分析器能夠模擬人類的嗅覺。壓力、溫度、化學和紅外傳感器能夠監測智能手機使用者的健康狀況以及評估健康風險。更多基于傳感器的“環境感知”應用正逐漸成為現實。在不遠的將來，當智能手機擁有心臟監測儀和汗水偵測器來跟蹤用戶的健康狀況、興奮程度和情緒時，千萬不要感到驚訝。

快速且低功耗

為了充分利用所有傳感器數據并且優化決策過程，如今的移動系統必須以最快的速度整合并分析多種數據流。傳感器收集數據并處理為可用信息的速度越快，系統對于實時環境狀況做出的反應就更精確。不過，由于基于傳感器的“環境感知”子系統永遠在線，他們對系統功耗的要求十分驚人。由此可見，從系統功耗上來看，必須最高效地處理這些任務。

有三種設計架構可供移動系統設計師選擇來解決這個問題。首先，他們可以使用系統核心應用處理器來管理傳感器數據。或者，他們可以使用獨立的微控制器（MCU）進行管理，從而分擔處理器的任務。再者，他們也可以采用一個超低密度（ULD）現場可編程門陣列（FPGA）構建一個集成的傳感器中心，以同樣的方式協助應用處理器。

每種方案都有其優勢與不足。設計工程師們將每個傳感器直接連接至應用處理器，使用經過驗證的架構最好地利用現有系統的資源。但是由于傳感器的數量持續增加，設計工程師們不可避免地會遇到GPIO資源的瓶頸。長期受此約束，設計工程師們將無法實現許多重要的新功能。同時所有MCU都存在接口限制影響到設計靈活性的問題。每一個傳感器都會帶來特定的接口要求。有些指定工業標準接口，有些又需要專屬的解決方案。只使用單個應用處理器或者MCU來滿足今后所有的傳感器接口需求將大大增加設計復雜性，甚至延長產品開發周期。

而最嚴重的問題是，基于典型的中斷驅動應用處理器上的多傳感器架構帶來了更高的功耗需求，特別是考慮到現在的環境感知傳感器子系統的永遠在線要求。越來越多的傳感器連續采集時間敏感的數據迫使應用處理器運行更長時間，在已經十分緊張的移動系統功耗預算上提出了更多的要求。

在許多新興的永遠在線、環境感知應用中，采用為移動應用特別優化的超低密度（ULD）FPGA無疑是更好的選擇。不同于傳統的大尺寸并且昂貴的FPGA，這種新的低門數器件采用高度緊湊的CSP封裝。該類器件提供了支持傳感器管理和預處理功能所需的邏輯資源，并可大批量生產以實現規模效益。

對于這些必須永遠在線的環境感知應用，這種設計方案特別受到系統工程師的青睞，因為該方案可以減少功耗相對較大的中斷驅動應用處理器的運行時間。設計工程師可以使用ULD FPGA以遠低于傳統應用處理器和MCU的時鐘速率，同時實時地收集多個傳感器的數據。這些IC的功耗小于1 mW，相比傳統方案功耗大大降低，并且以零延遲收集每個傳感器的數據，針對不斷變化的環境狀況提供更精確的系統響應。并且該方案可進一步延長應用處理器處于休眠模式的時間，如果有需要的話，支持周期性地喚醒并在低功耗狀態下工作。這個方案將講求時效的傳感器功能交給ULD FPGA，改善了整體功耗以及傳感器系統精度。

此外，由于移動設備系統中的傳感器數量持續增長，基于ULD FPGA的解決方案在設計尺寸方面的優勢正變得越來越有吸引力。分立的解決方案結合了2 mm x 2 mm大小的IR遠程控制IC和1個2.5 mm x 2.5 mm大小的RGB LED驅動器。該解決方案總共需要10.25 mm2的面積。設計工程師們也可以使用一塊超低密度的iCE40LP FPGA來實現相同功能的子系統，只需1.40 mm x 1.48 mm（大約2 mm2）的面積。可編程的解決方案通過結合IR遠程控制模塊、條碼仿真器、LED驅動和自定義算法提供了更多的功能，減少了大約80%的電路板面積。

處理器與ULD FPGA功耗比較：計步器測試案例

為了測量和量化功耗差異，最近萊迪思公司的工程師使用iCE40LM 4K ULD FPGA搭建了一個計步器傳感器管理演示系統。該演示系統包含帶有一塊智能手機顯示屏的高通（Qualcomm）驍龍（Snapdragon）評估板和SDK。為了呈現一個多傳感器、電池供電的移動應用，演示系統加入了由萊迪思半導體開發的傳感器子卡。圖2展示了緊湊、高度集成的子卡。電路板上靠近中心位置的是采用小尺寸25WLCSP封裝的iCE40LM 4K ULD FPGA。該FPGA擁有4K邏輯門數、多個嵌入式IP硬核，包括2個SPI主/從，2個I2C主/從、1個PLL、1個kHz工作頻率的低功耗選通信號發生器以及1個MHz工作頻率的高頻選通信號發生器。該FPGA同時帶有RGB/LED驅動器。正如圖片所展示的緊湊型子卡，它擁有許多傳感器，包括濕度、溫度、霍爾傳感器（Hall Efect）、環境光和接近傳感器，以及氣壓計、加速度計、陀螺儀、指南針、IR接收器和發送器。

需要注意的一點是，環境感知傳感器應用必須保持永遠在線的狀態。

從計步器應用演示可以知道，基于ULD FPGA的傳感器管理子系統能夠顯著地節約功耗。在計步器演示中iCE40LM的最大功耗為0.737 mA×1.2V，即0.88 mW。我們可以很明顯地看到處理相同的任務時，iCE40LM大約只消耗了應用處理器功耗（160 mW）的1/180。考慮到環境感知傳感器應用永遠在線的特性，采用基于ULD FPGA的傳感器管理系統的功耗小于1 mW，特別是實現多傳感器的應用時可明顯提升移動系統電池壽命。

此外，基于iCE40LM的傳感器管理系統占用不到1.7 mm x 1.7 mm的面積，節約的電路板面積相比其他設計方案對于設計師的吸引力是巨大的。其次，不像中斷驅動的應用處理器或微處理器，其零延遲實時收集傳感器數據的能力增強了數據完整性和系統實時性。最后，設計工程師通過可編程解決方案可重新配置I/O和協議，同時優化每個傳感器FIFO、寄存器和仲裁器的大小、配置和性能，獲得其他設計方案無法提供的設計靈活性。

總結

在移動系統設計中集成各種傳感器無疑只是剛剛開始。各類低成本、小尺寸的傳感器將把令人興奮的環境感知應用加入移動系統中，適用于醫療、工業、科研和商業等諸多應用領域。

移動系統設計師想要實現這些新功能，首先面臨挑戰就是如何才能最高效地處理傳感器收集到的數據。憑借低功耗的架構以及創新的封裝技術，萊迪思公司的ULD FPGA產品為移動系統設計師提供了更高性價比的方式，通過最小化系統功耗和面積為下一代移動系統注入新的環境感知功能。