圖中虛線表示處理器模塊所涉及的功能,，它負責(zé)數(shù)據(jù)處理模塊的全部工作及數(shù)據(jù)采集模塊與無線收發(fā)模塊的部分工作。其中數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊
?數(shù)據(jù)采集模塊通過傳感器采集外界數(shù)據(jù)并存儲。處理器模塊主要是配合傳感器工作,，并進行數(shù)據(jù)存儲,。
?(2)數(shù)據(jù)處理模塊
?數(shù)據(jù)處理模塊是處理器的主要工作模塊。在工作態(tài)內(nèi),，處理器模塊的主要工作為數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)傳送。在數(shù)據(jù)處理階段,，處理器又負責(zé)模式識別,、協(xié)議處理以及通信相關(guān)的三類任務(wù)。
?在選擇數(shù)據(jù)處理階段的算法時,，應(yīng)考慮功耗問題,。在達到系統(tǒng)要求的情況下,，算法應(yīng)盡可能簡化。
值得注意的是：選擇簡單的通信相關(guān)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(shè)計原則：①數(shù)據(jù)處理部分軟件盡量簡化,；②工作態(tài)和待機態(tài)功耗應(yīng)盡量降低,；③通信相關(guān)的算法會影響到無線收發(fā)模塊的功耗，應(yīng)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(shù)據(jù)與無線收發(fā)模塊交互。因此工作時間內(nèi),，必須考慮處理器模塊的功耗,。
以上分析了無線傳感網(wǎng)節(jié)點中的各個模塊在工作態(tài)時與處理器模塊的關(guān)系。下面利用上述結(jié)論,，針對基于OMAP芯片的節(jié)點處理器的設(shè)計進行具體分析,。
2 基于OMAP的節(jié)點處理器的低功耗設(shè)計
2.1 功耗與處理主頻的關(guān)系
下面根據(jù)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(guān)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(nèi)部雙核間的任務(wù)分配
OMAP5912中的DSP核為C5x系列的5510,，ARM核為ARM926EJ,。其中DSP核有內(nèi)部乘加器且具有并行執(zhí)行語句的特點，在進行大數(shù)據(jù)量的數(shù)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" title="指令周期">指令周期,。而在DSP核中運算時，由于程序可根據(jù)DSP內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化,，整個運算只消耗40K指令周期,。所以主要的數(shù)值處理計算應(yīng)該在OMAP內(nèi)部的DSP核內(nèi)計算，而ARM核負責(zé)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(guān)系,，工作頻率越高,，電流就越大,。
根據(jù)實測值，OMAP內(nèi)部DSP核的電流值與DSP主頻的關(guān)系約為：
I_DSP=(25+0.3×F_DSP)mA? (1)
其內(nèi)部ARM核的電流值與ARM核主頻的關(guān)系約為：
I_ARM=(20+0.2×F_ARM)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(shù),。
(1)DSP核的頻率選擇分析
?設(shè)DSP核所承擔(dān)的任務(wù)共需要MDSP，則DSP核完成此工作所消耗的能量為：
?E_DSP=P_working×T_working
????? =(V_DSP×M_DSP×0.3+V_DSP×M_DSP×25/F_DSP)mJ (3)
對式(3)求EDSP對FDSP的導(dǎo)數(shù)得：
E_DSP′=-V_DSP×M_DSP×25/(F_DSP)²(4)
由于F_DSP∈(0MHz,，192MHz],，在此區(qū)間內(nèi)E_DSP′≠0，即函數(shù)無極值,。由于E_DSP′<0,，所以當(dāng)F_DSP=192MHz時，E_DSP得到最小值：
E_{DSP_min}=(V_DSP×M_DSP×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(nèi)完成MARM的運算量處理時,，ARM的能耗EARM最小。
此時：F_ARM=F_DSP×M_ARM/M_DSP(6)
(3)工作頻率選擇的結(jié)論
①在消耗能量最少的原則下,，當(dāng)DSP核運算時,，應(yīng)選擇全速運行。運算結(jié)束后,，馬上由ARM核將其轉(zhuǎn)入被動模式,。
ARM核根據(jù)選擇的算法，估算MDSP與MARM的關(guān)系,，根據(jù)式(7)進行具體計算,。
②在采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳遞階段，應(yīng)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(shè)計
根據(jù)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)" title="工作狀態(tài)">工作狀態(tài),。其中工作狀態(tài)又根據(jù)功能的不同分為數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送三個階段。
?各狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示,。

當(dāng)節(jié)點處于各狀態(tài)時,，處理器的主頻及任務(wù)如下：
(1)節(jié)點待機態(tài)時，處理器內(nèi)部ARM核及DSP核處于睡眠狀態(tài),。
(2)數(shù)據(jù)采集階段時,，處理器內(nèi)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(wù)：ARM核將A/D從傳感器處采集到的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部存儲區(qū)。
(3)數(shù)據(jù)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(wù)：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(shù)據(jù)量為320bit,；圖像壓縮中待發(fā)送的數(shù)據(jù)量為95Kbit。與通信相關(guān)的處理包括調(diào)制解調(diào),、信道編解碼,。
(4)數(shù)據(jù)傳送階段時，處理器內(nèi)部ARM核處于工作狀態(tài)F_ARM=2MHz,，DSP核處于睡眠狀態(tài),。
處理器模塊的任務(wù)是配合無線收發(fā)模塊傳送數(shù)據(jù)。
各工作狀態(tài)耗費電流如表1,。

?

2.2 節(jié)點功耗與算法的關(guān)系
2.2.1 算法對節(jié)點各模塊功耗的影響
(1)處理器模塊
對整個處理器模塊,，由式(5)、式(6)經(jīng)分析可得：
E_proc=E_{DSP_min}+E_{ARM_min}
???? =V_DSP×M_DSP×0.43+V_ARM(0.1×M_DSP+0.2×M_ARM) (7)
且V_DSP=V_ARM
E_proc=V_ARM(0.53×M_DSP+0.2×M_ARM) (8)
由式(8)知,，主導(dǎo)處理器模塊功耗為MDSP,，所以減小MDSP是減少節(jié)點處理器部分功耗最直接的方式。
(2)無線收發(fā)模塊
降低無線收發(fā)模塊的功耗,，需要在信源階段對數(shù)據(jù)進行模式識別或壓縮,，降低數(shù)據(jù)量以降低數(shù)據(jù)的傳輸時間；在選擇調(diào)制解調(diào)方案時,，應(yīng)選擇可獲得較高數(shù)據(jù)速率并且所需解調(diào)的Eb/N0相對較低的方案,。
2.2.2 節(jié)點算法的選擇
?在進行算法選擇時應(yīng)在完成功能的基礎(chǔ)上，選擇可以降低功耗的算法,。下面針對本節(jié)點對算法選擇進行分析,，先討論三類算法在節(jié)約功耗條件下的復(fù)雜度。
(1)模式識別
模式識別可以處理傳感器采集到的信號,，給出一個對信號的判斷結(jié)果,，在無線收發(fā)時只需要傳送這個結(jié)果。
經(jīng)過一次模式識別,，數(shù)據(jù)量可從1K個8位采樣點降到1個16位的word,。當(dāng)設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)速率為20kbps時，采用BPSK,，(2,，1，5)卷積編碼的方案，發(fā)射傳輸時間由160ms降低到0.8ms,。由于實際發(fā)送時需要對數(shù)據(jù)進行組幀，所以傳輸時間大概為5ms,。若以節(jié)省功耗為標(biāo)準(zhǔn),，則：
E_{RF_save}>E_{PRO_use}
?-〉V_RF×40×160>V_ARM(0.53×M_DSP+0.2×M_ARM)(9)
?-〉40×160>0.53×M_DSP
?-〉M_DSP<12
即只要選擇的算法低于12M個指令周期就可以節(jié)省能量。
模式識別的計算量主要集中在特征值的提取上,，比較有代表性的算法為基于功率譜(512點FFT)的算法或基于小波分析(db6)的算法,。兩種算法的運算量與在DSP內(nèi)處理的時間如表2。

由于在傳感網(wǎng)節(jié)點中對功耗的要求更為嚴(yán)格,，所以選擇基于功率譜分析的算法,。在實現(xiàn)時利用55核的硬件特性，可降至22K個周期數(shù),，1毫秒就可處理完畢,。
(2)圖像壓縮
節(jié)點傳輸圖像時必須進行圖像壓縮，一幅320×240的BMP圖像約1.8Mbit,，在基本不損失信息的情況下可壓縮至95Kbit,。Mcompression約為135 290M條指令周期，而對其壓縮后,，在算法未優(yōu)化的情況下計算量約為120K條指令周期,，遠遠小于Mcompression。這同時也說明,，在傳感網(wǎng)節(jié)點中傳遞圖像時,，主要能耗集中在無線收發(fā)模塊。此時提高數(shù)據(jù)速率是必須的,，因為提高速率并不會使無線收發(fā)模塊的功耗上升,，卻可以減少發(fā)送時間以節(jié)約能量。
故模式識別與圖像壓縮是無線傳感網(wǎng)節(jié)點內(nèi)必不可少的,，算法選擇時壓縮比是比復(fù)雜度更重要的選擇依據(jù),。
(3)通信相關(guān)
①編碼方式
為了在一定的誤碼率下達到低功率傳輸，需要采用FEC編碼減少差錯概率,。卷積編碼是目前應(yīng)用最廣泛的編碼方式,，表3為對1Kbit數(shù)據(jù)采用不同參數(shù)的卷積編碼時的譯碼運算量與編碼后長度的比較。

?

分析圖4可知,，(2,，1，7)比(2,，1,，3)的卷積編碼性能提升了2dB以上，而(2，1,，9)相比(2,，1，7)卻只提高了不到1dB,。在處理時間上,，(2，1,，9)即使在程序經(jīng)過優(yōu)化后的處理時間為75毫秒,，占處理器模塊中DSP核處理時間的90％以上。所以選擇性能接近但運算量卻低很多的(2,，1,，7)的卷積編碼。
②調(diào)制方式
傳感網(wǎng)的信號經(jīng)過無線信道時一般不采用高階調(diào)制,。在QPSK和BPSK的選擇上,，由于QPSK可以同時在IQ兩路傳輸數(shù)據(jù)，使無線收發(fā)模塊的Tworking減少1/2,，從而減少功耗,。這樣數(shù)據(jù)的傳輸速率為40kbps。
各算法耗費時間如表4,。

2.3 與現(xiàn)有節(jié)點的比較
現(xiàn)將本節(jié)點處理器模塊與現(xiàn)有節(jié)點處理器模塊在以模式識別的應(yīng)用中進行比較,，對1K數(shù)據(jù)進行模式識別及編解碼所消耗的計算周期如下：
普通MCU計算周期：6.4M指令周期
OMAP5912計算周期：1.1M指令周期
由此可得進行1000次的上述處理所需要的時間及消耗的電流如表5。