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代写工程论文精选:基于BLE智能硬件低功耗技术的研究

时间:2017-09-06 16:04来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是控制工程论文,本文基于蓝牙通信协议对蓝牙硬件设备的电量消耗进行了详细的分析,为智能蓝牙设备的开发者在功耗方面提供一个有效的参考,并通过低功耗蓝牙体温计对其进
第 1 章 绪论 
 
1.1 课国内外研究现状 
目前,低功耗研究主要局限在底层硬件低功耗技术、上层软件设计低功耗技术等方面的探讨之上。在硬件上,降低嵌入式系统功耗的方法主要有:1.减少漏流电流;2.调节系统的工作电压和时钟频率;3.减少活动切换因子和切换电容等技术。在软件上,降低嵌入式系统功耗主要有:1.源程序结构级功耗优化;2.算法级功耗优化;3.软件系统结构级功耗优化。对于源程序结构级功耗优化又包括优化数据类型、程序结构重排、表达式优化;对于算法级功耗优化包括消除重复计算、改善数据结构、消除重复数据、压缩数据存储空间以及算法选择;软件系统结构级功耗优化包括构件的合并与拆分、构件的替换、软件体系结构风格的变换[7]。整体上,在系统设计时进行低功耗系统综合和编译,运行时使用相应的功耗管理策略暂时关闭当前空闲的设备或者在满足系统时间性能要求的情况下,降低系统部件的工作电压和频率[8]。统计数据表明,在嵌入式系统设计中,最初软硬件等设计过程约占 10%,这对最终的设计质量和成本有 80%的影响[9]。 对于低功耗蓝牙通信技术,其功耗研究主要在蓝牙广播、扫描、连接、休眠等过程。其中 Kamath S, Lindh J 给出了低功耗蓝牙功耗测量方案,并且对连接事件的功耗进行了实验分析[10]。刘嘉,陈灿峰对蓝牙主从设备的同步进行了概率分析,给出了概率模型,并且提出了减少同步时间的建议。Kindt P, Yunge D, Diemer R 等人提出了蓝牙设备整体功耗的模型,总结了对蓝牙设备功耗影响较大的相关参数。 
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1.2  论文研究内容与论文结构
当前非持续性供电的智能蓝牙无线设备在使用过程中,遭遇到待机时间短、更换电池次数频繁以及因电量问题限制了功能进一步扩展等局限性问题。本文针对这些问题,对蓝牙设备在使用过程中的各个阶段所消耗的电量情况进行了详细的分析,并对于如何进一步降低功耗提出了相关建议。主要分析了蓝牙设备在广播、扫描、建立连接前、连接中、连接后等阶段电量消耗情况。根据各阶段的电量消耗分析,开发了基于蓝牙通信的低功耗蓝牙体温计。
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第2章 低功耗技术的研究 
 
目前低功耗技术的研究主要涉及到功耗产生的因素、硬件低功耗技术和软件低功耗技术等方面,本章将从这三个方面进行研究。 
 
2.1  功耗产生的因素 
在研究低功耗技术之前,首先需要知道功耗来源才能有针对性地改善功耗。就目前来说集成电路的功耗来源主要包括开关功耗、静态功耗、动态功耗、短路功耗以及其方面的功耗。 1)  开关功耗:主要由电路中的电容充放电产生; 2)  静态功耗:主要由漏电电流流产生,主要包括反向偏压电流和亚阈值漏电流; 3)  动态功耗:主要由电路从一种稳定状态突然转变到另一种稳定状态的过程所产生的功耗; 4)  短路功耗:因开关时由电源到地形成的通路所造成的; 5)  其他功耗:其他部分功耗主要包括纯电阻元件、有源开关器件以及非理想元件上消耗的功耗。以及在印制电路板过程中,由于元器件之间的走线所带来的寄生电阻电容等所产生的功耗。 集成电路的动态功耗作为整个 CMOS 集成电路的主要组成部分,通常占电路总功耗的百分之九十以上,而静态功耗占比不到百分之一,通常情况下可以忽略。所以从降低功耗的手段出发,主要从降低动态功耗入手。
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2.2  硬件低功耗技术
根据功耗产生的因素可知,从硬件出发降低系统功耗的主要方式是降低系统动态功耗。降低动态功耗可以通过降低系统时钟频率、降低系统电容充放电的次数以及在满足系统需求的情况下适当降低系统电源电压,除此之外优化电路走线,采用规范的电路制造工艺也是降低系统功耗的有效途径  [11]: 在设计电路过程中可以通过选择适当的电源供给电路,采取动态电源管理的方式,以及合理的设计接口驱动电路等方式降低系统功耗。在电源供给电路中一般有线性稳压和 DC-DC 等方式。其中线性稳压具备电路简单、元件数量少、压差宽但效率低下的特点。DC-DC 其转换效率高,电压升降灵活,但电路相对线性稳压来说较复杂,受干扰较大。在适当的情况下使用 DC-DC 的电压转换电路可以有效地节约能量,从而降低系统功耗。接口电路的低功耗设计,其主要考虑上拉电阻/下拉电阻阻值的选取、悬空管脚的处理、Buffer 的必要性。在能够正常驱动的情况下,尽可能地选取大阻值的电阻。如果在不使用的情况下,对于 CMOS 器件中的悬空管脚,为了避免被电荷高压击穿或者引起输入端信号电平随机变化,导致系统不间断唤醒,从而白白消耗了不必要的功耗,所以应该将其接地或者电源端。对于 Buffer 来说,在过驱动的情况下,会导致更多的能量白白浪费,此时可以通过选取合适的前后级芯片来避免 Buffer 的使用。 除以上方式外还可以采用单电源、低电压供电方式、分区/分时供电技术、I/O 引脚供电、电源管理单元设计以及智能电源的设计来降低系统功耗。 
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第 3 章  低功耗蓝牙协议的功耗分析 ........... 7
3.1  低功耗蓝牙协议 .... 7 
3.2  广播者 ......... 11 
3.2.1  广播类型 .... 11 
3.2.2  广播过程 .... 12 
3.2.3  广播功耗分析 ..... 15 
3.3  观察者 ......... 18
3.4  主从设备建立连接前 ............ 22 
3.5  主从设备建立连接过程 ........ 25
3.6  主从设备建立连接后 ............ 29 
3.7  本章小结 ..... 33 
第 4 章 低功耗蓝牙技术的应用案例 ......... 34 
4.1  系统需求可行性分析 ............ 34 
4.2  系统硬件设计 ...... 34 
4.3  系统软件设计 ...... 41 
4.4  本章小结 ..... 43 
第 5 章 实验结果分析 ...... 44 
5.1  系统测试环境 ...... 44
5.2  蓝牙通信测试 ...... 46 
5.3  系统功耗测试 ...... 46
5.4  本章小结 ..... 50 
 
第 5 章 实验结果分析
 
5.1  系统测试环境
SCA 对于蓝牙设备来说是一个重要的参数,影响了蓝牙连接的稳定性以及蓝牙设备的待机时间。晶振会由于温度等原因造成频率发送变化,随着时间的推移,导致主设备和从设备发生不同步的时间会越来越大,为了保证通信能够继续,这就使得从设备必须提前对主设备进行监听。不同步的时长越长,导致提前监听的时长越长,使得消耗更高的电量概率更大。首先广播者接收到连接请求,连接请求包中包含了对发送窗口偏移量、发送窗口长度、连接间隔等相关连接参数。然后经过 1.25ms 的一个强制延时后,随后经过发送窗口偏移量的时长,从机将射频接收机打开,用来接收主机向从机发送的第一个数据包,数据有可能在传输窗口期间的任意时刻接收到数据包。如果在第一个传输窗口中未收到主机的第一个数据包如图 3.15 中 B 方框所示,那么从机经过设定的连接间隔conn IntT 时长后将再次开启射频接收机,当收到主机发来的数据包,从机经过 T_IFS 的时间后向主机发送数据包。一旦发送了第一帧数据,无论 CRC 是否正确,都把第一次连接事件作为瞄点(Anchor point),后面的瞄点以此瞄点为基准[29]。 
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总结 
 
在对蓝牙低功耗技术的研究过程中,本人阅读了大量的论文、书籍、相关的蓝牙协议规范。与此同时参考了当前一些优秀工程师所写的蓝牙协议栈代码。通过百度、Google等搜索工具对专业知识进行了一个更加广泛的了解,访问了大量的开发网站、论坛、社区等网络资源。在指导老师和实验室其他成员的共同努力下,完成了基于 BLE 智能硬件低功耗技术的研究。本人主要完成了以下工作: (1)根据当前物联网的发展趋势,综合性的简述了当前智能硬件领域的发展现状以及因为功耗问题所面临的挑战。提出了本文的研究工作重点。 (2)低功耗技术的研究。主要介绍了当前低功耗技术中功耗产生的因素、硬件低功耗技术、软件低功耗技术这三个方面。 (3)简单介绍了低功耗蓝牙协议。结合实际的蓝牙底层硬件,对蓝牙协议运行过程进行了研究。主要研究了蓝牙主从设备在连接过程前,作为扫描态或者广播态所消耗的电量;蓝牙设备在连接过程中,建立连接和保持连接所消耗的电量;蓝牙设备在连接过程后,连接状态更新所消耗的电量。对于蓝牙设备在连接的整个过程中,给出了详细的计算功耗的结论。从而能够为蓝牙设备开发工程师在开发时提供一个功耗优化的参考。 (4)根据对蓝牙设备的功耗分析所得出的结论,设计了一款低功耗蓝牙体温计,介绍了当前主流低功耗蓝牙主控芯片,给出了体温计软硬件的设计思想和方法。 (5)结合对蓝牙设备的功耗分析和低功耗蓝牙体温计的开发设计,对其进行整体测试,验证了蓝牙设备的功能完整性,以及对低功耗蓝牙设备进行功耗优化的可行性。 
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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