基于OMAP的無線傳感網節(jié)點處理器的設計與實現(xiàn)

　　無線傳感網絡是計算技術、通信技術和傳感器技術相結合的產物。傳感網應用場合非常廣泛，節(jié)點也可以搭載不同類型的傳感器。當節(jié)點自身搭載的傳感器為震動、磁傳感器時，采集到的數據量較小，處理簡單，目前的傳感網節(jié)點(如Mica節(jié)點)就可以滿足需要。但當節(jié)點集成圖像傳感器、紅外傳感器等大數據量傳感器對傳感數據網絡的實時要求相當高時，現(xiàn)有的節(jié)點受處理及存儲能力的限制無法滿足要求。

　　本文主要分析在設計較高處理及存儲能力傳感節(jié)點時，如何滿足傳感網節(jié)點低功耗和高處理能力間的平衡關系，并介紹基于OMAP處理器的節(jié)點處理器部分的實現(xiàn)方案。

1 無線傳感網節(jié)點功耗分析

　　首先對節(jié)點各模塊與處理器模塊的功耗關系進行分析。

　　依照功能，無線傳感網節(jié)點在硬件上分為數據采集模塊、數據處理模塊、無線收發(fā)模塊、供電模塊。圖1為其節(jié)點示意圖。

　　圖中虛線表示處理器模塊所涉及的功能，它負責數據處理模塊的全部工作及數據采集模塊與無線收發(fā)模塊的部分工作。其中數據處理模塊主要由處理器與存儲器組成。若處理器不搭配存儲器，則在分析功耗時，只對處理器模塊進行分析即可。

　　下面對各模塊進行功耗分析。

　　(1)數據采集模塊
　　數據采集模塊通過傳感器采集外界數據并存儲。處理器模塊主要是配合傳感器工作，并進行數據存儲。

　　(2)數據處理模塊
　　數據處理模塊是處理器的主要工作模塊。在工作態(tài)內，處理器模塊的主要工作為數據采集、數據處理及數據傳送。在數據處理階段，處理器又負責模式識別、協(xié)議處理以及通信相關的三類任務。
 
　　在選擇數據處理階段的算法時，應考慮功耗問題。在達到系統(tǒng)要求的情況下，算法應盡可能簡化。

　　值得注意的是：選擇簡單的通信相關算法可能使接收部分的性能下降，只能通過增加無線收發(fā)模塊的發(fā)射能量來補償，使整個節(jié)點的功耗增加。

　　該模塊的設計原則：①數據處理部分軟件盡量簡化；②工作態(tài)和待機態(tài)功耗應盡量降低；③通信相關的算法會影響到無線收發(fā)模塊的功耗，應整體考慮后再選擇。
 
　　(3)無線收發(fā)模塊
　　由于無線收發(fā)模塊工作時需要處理器配合，將數據與無線收發(fā)模塊交互。因此工作時間內，必須考慮處理器模塊的功耗。

　　以上分析了無線傳感網節(jié)點中的各個模塊在工作態(tài)時與處理器模塊的關系。下面利用上述結論，針對基于OMAP芯片的節(jié)點處理器的設計進行具體分析。

2 基于OMAP的節(jié)點處理器的低功耗設計

　　2.1 功耗與處理主頻的關系

　　下面根據OMAP5912的電流/處理速率比分析節(jié)點的功耗與處理器主頻的關系。OMAP為雙核處理器，對兩個核的功耗、計算能力要分別考慮。

　　2.1.1 OMAP內部雙核間的任務分配
　　OMAP5912中的DSP核為C5x系列的5510，ARM核為ARM926EJ。其中DSP核有內部乘加器且具有并行執(zhí)行語句的特點，在進行大數據量的數值運算時效率極高。以FFT為例，1024點的FFT程序在ARM端的計算量約為1M條指令，在ARM核現(xiàn)有的流水線機制下，要花費1M指令周期。而在DSP核中運算時，由于程序可根據DSP內部的硬件結構優(yōu)化，整個運算只消耗40K指令周期。所以主要的數值處理計算應該在OMAP內部的DSP核內計算，而ARM核負責處理協(xié)議上層邏輯性較強的部分。

　　2.1.2 OMAP核的電流/主頻比
　　芯片的電流消耗與其運行的主頻成線性關系，工作頻率越高，電流就越大。

　　根據實測值，OMAP內部DSP核的電流值與DSP主頻的關系約為：
IDSP=(25+0.3×FDSP)mA  (1)

　　其內部ARM核的電流值與ARM核主頻的關系約為：
IARM=(20+0.2×FARM)mA  (2)

　　兩個核的電流/頻率示意圖如圖2所示。

　　由圖2可知：DSP核的功耗略大于ARM核的功耗，而且主頻越高越明顯。

　　2.1.3 OMAP核工作頻率的選擇

　　下面介紹OMAP兩個核工作頻率的選擇。此處引入一個變量M，代表一個處理器完成某項運算所需要的指令周期數。

　　(1)DSP核的頻率選擇分析
　　設DSP核所承擔的任務共需要MDSP，則DSP核完成此工作所消耗的能量為：
 EDSP=Pworking×Tworking
      =(VDSP×MDSP×0.3+VDSP×MDSP×25/FDSP)mJ (3)

　　對式(3)求EDSP對FDSP的導數得：
EDSP′=-VDSP×MDSP×25/(FDSP)2(4)

　　由于FDSP∈(0MHz，192MHz]，在此區(qū)間內EDSP′≠0，即函數無極值。由于EDSP′<0，所以當FDSP=192MHz時，EDSP得到最小值：
EDSP_min=(VDSP×MDSP×0.43)mJ (5)

　　(2)ARM核的頻率選擇分析
　　進行類似上面的分析，并滿足剛好在TDSP_pro時間內完成MARM的運算量處理時，ARM的能耗EARM最小。

　　此時：FARM=FDSP×MARM/MDSP(6)

　　(3)工作頻率選擇的結論
　?、僭谙哪芰孔钌俚脑瓌t下，當DSP核運算時，應選擇全速運行。運算結束后，馬上由ARM核將其轉入被動模式。

　　ARM核根據選擇的算法，估算MDSP與MARM的關系，根據式(7)進行具體計算。

　?、谠诓杉瘮祿蛿祿鬟f階段，應盡量選擇低主頻，以達到功耗最低的目的。

　　2.1.4 節(jié)點方案中各狀態(tài)的設計

　　根據節(jié)點處理器模塊的狀態(tài)，分為待機狀態(tài)和工作狀態(tài)。其中工作狀態(tài)又根據功能的不同分為數據采集、數據處理和數據傳送三個階段。
 
　　各狀態(tài)的轉換關系如圖3所示。

　　當節(jié)點處于各狀態(tài)時，處理器的主頻及任務如下：

　　(1)節(jié)點待機態(tài)時，處理器內部ARM核及DSP核處于睡眠狀態(tài)。

　　(2)數據采集階段時，處理器內部的ARM核處于工作狀態(tài)，F(xiàn)ARM=2MHz；DSP核處于睡眠狀態(tài)。
處理器模塊的任務：ARM核將A/D從傳感器處采集到的數據讀入內部存儲區(qū)。

　　(3)數據處理階段時，處理器中ARM核處于工作狀態(tài)，F(xiàn)ARM=2MHz；DSP核處于工作狀態(tài)，F(xiàn)DSP=192MHz。
處理器模塊的任務：ARM核協(xié)議處理，包括組幀、解幀。DSP核的模式識別中待發(fā)送的數據量為320bit；圖像壓縮中待發(fā)送的數據量為95Kbit。與通信相關的處理包括調制解調、信道編解碼。

　　(4)數據傳送階段時，處理器內部ARM核處于工作狀態(tài)FARM=2MHz，DSP核處于睡眠狀態(tài)。

　　處理器模塊的任務是配合無線收發(fā)模塊傳送數據。

　　各工作狀態(tài)耗費電流如表1。