建模,设计和实现一个低功耗FPGA异步唤醒接收机的无线应用程序.docVIP

建模，设计和实现一个基于低功耗FPGA异步唤醒接收机的无线应用程序 Pons Jean-Franc?ois ? Brault Jean-Jules Savaria Yvon 收稿日期：3月20日213 /修订：2013年6月27日/接受日期：2013年9月6日在线/发布时间：2013年9月28日 ?这篇文章发表在S功耗是无线传感器网络（WSN）节点一个大问题 ，并且对于这样的网络，设备大部分时间电池供电，需要具有非常低的功耗此外，无线传感器网络，无线电在空闲或深度睡眠模式下的大部分时间有限的数据量会定期发送因此，使用事件触发无线电非常适合，并可能显著降低无线传感器网络的整体功耗。因此，本文探讨了另一节点发送数据可以唤醒主接收器异步模块的设计。此外，我们实施所提出的方案FPGA为低容量应用降低制造成本，并使其更容易设计， 再利用和提高减小静态功耗，我们探索降低电源电压的可能性。所观察到的总功耗在250 kbps低于5微瓦。此外，使用一个新的异步设计技术，我们观察到，功耗可以进一步降低。关键词唤醒接收器异步低功耗无线传感器网络FPGA 1引言 无线传感器网络（WSN）在过去的二十年里，微电子研究最多的领域之一。这是由于低功率射频（RF）收发器架构使无线设备[1，2]持续数天，数周，甚至数年。例如，表1总结了基于流行的IEEE802.15.4标准的多个RF收发器的功率消耗，市场上RF收发器（也参见图1）。可以从这样的功耗数据可直接推断，不断标准电池供电只有几百毫安同样的观察可能已做了其他行业标准。幸运的是，大多数无线传感器网络的应用程序他们的活动时间只需要使用RF收发器。利用闲置，睡眠或大多数微控制器的深度睡眠模式，大量降低功耗。表1可用RF收发器 图1 参考收发器：SPZB32， CC2531， MRF24J40MA和 MRF24J40MB 例如，最近的应用程序，如昆虫的启发机器人或智能电表受益于低占空比，因为它们处理的数据是相关的只有稀稀落落地随着时间[3]的推移。例如，智能电表，它可采样和发送数据每月甚至每年。这是典型的情况， RF开关灯为例当设备接收到另一个设备的命令。要做到这一点，最常用的方法是定期唤醒接收器和索要错过的消息。尽管它易于部署，这种技术有一个重大的缺点超低功耗问题：电源效率。这是由于即使没有消息发送主接收器需要被唤醒的事实。再一个可以在两个唤醒之间设置一个长周期（或适应良好的一个），就像在智能电表，为此，也可以事先知道的情况下报告时间和周期。然而，整个系统会缺乏适应性：这可能是一个更新电表进行这种情况为了解决这个问题，一些研究[6-10]已经完成预测，并考虑到信息交换的需要和吞吐量，但毕竟是一些复杂的算法，不可避免地显著的能源消耗为代价的此外周期性唤醒技术需要使用永远在线的部位，如定时器，负责唤醒时间的验证。 为了避免耗电算法的需要，并能支持可变的网络数据吞吐量，我们考虑使用一个额外的模块调用唤醒接收器。基本上，这个接收器是为了一个相关的传入消息已被发现检测特定的唤醒消息和唤醒主接收器。图2给出了一个通用的无线传感器网络节点体系结构，包括一个唤醒接收机（WUR）的框图。根据不同的应用，这WUR可直接或通过一个微控制器唤醒。这样WUR的几个设计可以在文献[11-16]中找到。FPGA提供减少开发时间和成本的可能性。有要改变的应用程序作出响应它也比一个特殊应用集成电路（ASIC）更灵活。我们还建议您使用相匹配的唤醒信号的异步设计。对于[11-14，16]中，数字解调器是同步的，不活动的阶段是低效的。它可能是像在[17,18]使用时钟脉冲，但将需要额外的电路，如定时器和信号检测来触发WUR的开始。为了避免这种情况，我们直接使用异步逻辑设计WUR。要做到这一点，我们首先使用NULL公约逻辑（NCL）[19，20] WUR[21]作为一个异步设计的指引，然后提出了免费NULL公约逻辑（SHF-NCL）[22]作为减少资源使用量，最终消耗功率目设计异步电路的新方法。 图2 WUR在系统架构位置本文的其余部分安排如下提供一般WUR有关的背景资料，与所使用的异步设计技术的概述在一起。我们还讨论了双方的FPGA实现和异步电路的优点和缺点。在在细节所提出的架构。然后在，关于复杂性和功耗结果和讨论，随后在第，通过与以前报道的结果进行比较。我们将最终对所提出的架构和可能。 2相关信息 这部分调制技术导致了通断键控（OOK）调制的选择的讨论开始。然后，WUR电路在一些应用中的优点，能量消耗模型。最后，于实现WUR异步设计技术进行了综述。 2.1唤醒接收器（WUR） 要做到这一点，有趣的是，低功率RF接收器将使用特定的唤醒消息与更多的能源消耗的架构相比，它包括，例如锁相环（PLL），放大器，混频器和复杂的数字基带。在多种低功耗无线