低功耗休眠唤醒之三级环形架构

前言

preface

      无线通信技术相关应用中，用户体验一直是用户关系的重点。无线通讯距离近一点，通讯速度慢一点，这都不是致命的问题，在某些场合下是完全可以接受的，甚至本身就是项目的技术需求；但是有一些设计缺陷却会严重影响用户体验的，一旦大面积的出现，基本上可以判定为产品失败了；总结起来，大家都无法忍受的问题主要是下述两个：

（1）通讯失败或者数据传输错误

（2）电池消耗快，很快没电

01业内问题

Industry issues

      在绝大部分用户的心目中，无线通讯本身就不如有线通讯技术稳定，如果一款产品还经常传输失败，试问用户会对这款产品有信心吗？

      无线产品配合上电池供电，才能充分发挥无线技术可以随意移动的优势，因此很多的无线产品经常和低功耗或电池供电有非常紧密的联系；一旦这个产品电池消耗很快，那么必然将是其便携性，移动性大打折扣。

       当然，在理论设计上产品的电池寿命肯定是非常长的，但是真正实现起来却比较困难，很多的产品设计电池寿命有 5 年之久，但是现场运行不到一年，甚至几个月就完全没电了，这种问题的发作经常没有任何规律，测试时间上又以年/月为单位，且呈现出偶发特性，定位起来极其困难，困扰了不少的无线通讯技术工程师，被认为是业界的重要难题之一。

02技术难点

Technical difficulties

      其实电池快速耗电和通讯不稳定说到底都是软件设计，特别是软件架构方面的设计问题；软件架构上的不完整或混乱，导致射频芯片的控制不准确甚至部分状态失去控制才是问题的源头。既然大家都认为功耗的管理是一个难题，那么到底难在哪些环节呢？

（1）产品的低功耗休眠唤醒设计，存在系统业务和应用层业务两种：在系统层面讲，主要有OTA无线升级、远程诊断、远程控制（无线I/O）等；在应用层中则是回调机制、关闭端口上拉、检测用户按键、关闭工作指示灯等。系统层内容属于整个产品的躯干和骨架，通常需要交给经验丰富的工程师负责，因为涉及精密的规则和庞大的算法问题，需要较为强大的抽象能力和全面的视角。而应用层则是面向用户的，体现在软件部分则相对比较简单。

（2）系统存在多种唤醒源：如UART、GPIO、RTC、Timer等，这些唤醒源中断方式和清除规则略有不同，但是进入和退出休眠需要遵循相同的路径，因此其控制逻辑需要做一定的抽象化设计，具有一定的挑战。

（3）基于RTC定时器的后台背景活动：某些延迟操作，比如开启一个 LED 指示灯，十秒之后关闭，此时如果处理器全速运行就为了运行这一功能，是不太经济的；通常是设置一个状态标志，然后启动RTC定时器，并将处理器切入休眠状态，计时的时间到了之后会产生一个RTC中断，处理器可以在这种中断到达的时候关闭这个LED 指示灯。类似这些延迟操作，往往还会和其他的业务状态交织在一起，控制逻辑需要精确设计，稍有不慎就会失去控制。

（4）被未知的电磁波干扰，吵醒，误唤醒等假唤醒行为：无线电波由于空间开放的特性，其唤醒动作往往伴随着少量的模拟特性，偶尔会被一些未知的信号给误触发，处理器被唤醒之后，需要对唤醒后的实时参数做一些分析计算，对唤醒源进行甄别筛选，如果不是有效的唤醒，需要提前终止业务逻辑。

（5）存在多种不同模式的睡眠深度的低功耗模式：处理器通常支持多种不同的睡眠深度，对应不同的功耗等级。不同睡眠模式下，处理器可以激活的外设不一样的，在唤醒之后，有些外设需要再次初始化之后才可以重新投入工作，只有深入了解处理器的工作特性，才能控制好处理器不同睡眠模式的切换工作。

（6）双芯片模式（独立的无线通讯模块）模式和单芯片模式（协议栈和应用层业务运行在一个芯片上），需要统一的编程接口。如果维持两套不同的编程接口，代码分支庞大不说，还很容易产生歧义，为后续的产品维护和架构升级带来困难。

      综合以上难点，需要解决如此复杂的功耗控制要求，必须分而治之，采用分层的控制策略；行之有效的解决方案就是如下的内-中-外，三级环形架构。

03WiMi-net的三级环形架构

Three-level circular architecture

01主体图

Main body diagram

      上图是一个电子价签的主程序框架。可以看出该程序主要分为三个主线程，分别是协议栈的主线程；低功耗休眠与唤醒的主线程与墨水屏应用业务的主线程。这三个主线程在同一个层级平行运行，具有相同的调度优先级。

局放图

Partial layout

02局放图

Partial layout

      我们将低功耗休眠与唤醒的主线程做局部放大，如上所示。

      图中的三级环架构是休眠唤醒管理模块的核心，是整个休眠唤醒功能的局部放大。如图所示，由内环、中环、外环，三部分构成。因为考虑到在无线通信中，各种事件的复杂程度及其处理方式，分为以上三环。最内部一环主管电磁波唤醒，中层环主管GPIO唤醒、RTC唤醒、UART唤醒，最外层环则启动了整个协议栈以及业务层，面向用户进行交互。

      三级环的目的突出的是分层做事原则。在内环中只进行电磁波唤醒的工作，这里主要有三部分，查询中断、分析中断状态、无线电波处理。当信号到达这一环，会根据信号类型分析是否进行无线电波的唤醒处理。

      如果不是无线电波唤醒，则跳出该层，进入中环处理。这里的信号类型分析和处理是根据不同事件、不同时刻产生的耦合性而定的。

      在中环，GPIO 唤醒是特定产品的唤醒模式；RTC 唤醒通常用于一些低优先级的后台任务，比如检测是否漏电或者执行一些延迟 I/O 操作；UART 串口唤醒则是针对用户处理器。

      外环则是面向用户的层级，如需要启动主程序固件升级或者业务逻辑，比如墨水屏的刷新屏幕显示内容等，则程序会被全面唤醒，此时就在外环中进行。

04环形架构的优势

The advantages of circular architecture

      由外环、中环到内环，视觉效果方面是越来越小的，越来越缩放的。自然在功能性方面也是越来越小，越来越简洁的过程。三级环从外到内，能做的“事”就越来越少，体现在软件代码方面就是，代码更少，功能性更加单一，逻辑更加清晰，运行更稳定。从而更加节省功耗。

      为什么功耗更加节约？将电磁波唤醒独立拆分，做成了独立的单元结构，是出于这样的考虑的。当信号指令到达三级环，内环首先进行判定，是否需要电磁波唤醒，判定是，就进行电磁波唤醒；判定不是，则跳入中环选择唤醒类别，内环进入休眠。

      考虑到事件的复杂性、多样性，需要从不同属性、不同时间等多角度考量休眠唤醒的执行，通俗点说就是“跟我相关起来干活，跟我无关继续睡觉”，这样的三级环设计针对性很强，在需要单一模式唤醒时，只需要调动少数软件资源和内部耗能就可以完成，完成相关作业后继续休眠，等待下一轮指令唤醒。从而这样的三级环设计是一款更加节约功耗的方案。

05回调函数

Callback

 

// *****************************************************************************
// Design Notes:  
// -----------------------------------------------------------------------------
char OnHostWakeup_Request( unsigned char iStatus, char iCause, char iReqAck )
{      
   unsigned char iRetVal;
   
   // The callback status
   switch ( iStatus )
   {
   case WIMINET_SLEEP_CALL_INIT:
      {
         OnWakeupRequest_Init( iCause, iReqAck );
      }
      break;
      
   case WIMINET_SLEEP_CALL_OPEN:
      {
         OnWakeupRequest_Open( iCause, iReqAck );
      }
      break;

   case WIMINET_SLEEP_CALL_WORK:
      {
         OnWakeupRequest_Work( iCause, iReqAck );
      }
      break;

   case WIMINET_SLEEP_CALL_STOP:
      {
         OnWakeupRequest_Stop( iCause, iReqAck );         
      }
      break;

   default:
      {
         iRetVal = 0X00;
      }
      break;      
   } 
   
   // The return status
   return iRetVal;
}

 

      上图是一个 SoC 产品方案，回调函数的标准样本，通常需要实现“系统刚刚唤醒”，“已经完成初始化”，“执行用户任务”，“即将进入休眠”等几个重要的通知时刻：

      系统刚刚唤醒：系统运行在三级环的内环，处理器刚刚被中断唤醒，需要启用系统层级别的外设，比如 SPI 总线等；

      已经完成初始化：系统已经切换至三级环的外环，控制权准备释放给用户程序，通常在此时初始化用户任务；

      执行用户任务：系统运行在三级环的外环，此时协议栈程序也在同层级平行运作，用户程序执行完了之后，需要释放控制权给系统，通知系统进入睡眠模式

      即将进入休眠：系统运行在三级环的中环，所有的数据都已经发送完毕或者超时终止，即将重新进入睡眠模式，通知用户关闭外设，执行任务的清理或者重置工作。

      对于不太复杂的系统，通常仅仅需要实现上述四个通知的回调函数即可，其余的通知可以不做处理器；对于更加复杂的系统，可以根据需要实现其他更多的回调通知。

06真机运行对比图

Comparison diagram of real machine operation

其他厂家真机运行图

01其他厂家真机运行典型功耗：4 秒唤醒周期、平均功耗 20.53 μA

WiMinet真机运行图

02WiMinet真机运行典型功耗：1 秒唤醒周期、平均功耗 7.15 μA

      在真机运行图中，我们可以清楚地看到，WiMinet的真机运行图信号波纹更加密集，整体看起来更加规律。由真机对比图可知，WiMinet采用三级换架构的真机运行图实时性是其他厂家的4倍，同时功耗仅为其他厂家的1/3。

 

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　　审核编辑：汤梓红