CN104331144A - 一种实现电力终端低功耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现电力终端低功耗的方法，其包括如下步骤：A、终端上电，功能模块上电初始化；B、低功耗模型参数初始化，并监测终端状态和电量；C、核心板判断功能模块是否需要继续工作；D、比较剩余电量和模型计算得出的电量，即Δt时间消耗的电量ΔE；E、GPIO输出低电平信号控制对应不需要工作功能模块的电源通断电路，关闭该模块供电，否则GPIO输出高电平信号控制对应模块的电源通断电路，开启模块供电；F、重复上述步骤，直到所有模块都处于空闲状态。其不依赖系统参数的信息，自适应性强；无需计算各状态的性能势或其它相关量，计算量和所需的存储空间小，可有效提高算法的实时性；具有全局收敛性，克服了梯度方法的固有局限，保证了算法的应用效果。

Description

一种实现电力终端低功耗的方法

技术领域

本发明涉及电池供电设备终端低功耗估计与设计技术，如移动计算、移动通信、多媒体设备等。具体涉及一种在电力计量监测终端设计上，对终端进行模块化设计，每个模块采用电源可控制开断的分布式电源，通过控制终端实际运行过程中没有投运的模块进行电源关断，从而降低终端功耗的方法。

背景技术

随着集成电路规模的日益缩小，电路系统复杂度进一步提高，特别是SOC(System On a Chip，片上系统)技术的发展和电池供电的移动设备广泛应用，芯片功耗已经成为集成电路设计领域一个日趋重要的问题。CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor，补充金属氧化物半导体)电路进入深亚微米或纳米工艺后，电路功耗的增长速度进一步加快，特别是静态功耗已经成为能与动态功耗相抗衡的功耗重要组成部分，并且引起了诸如散热、封装、电池供电、真速测试、信号完整性等一系列全新的问题。功耗以及与之相关的问题已经成为大规模集成电路和片上系统设计的焦点问题，功耗问题正在变得日益突出，并称为制约未来集成电路发展的十分关键的因素之一。

有研究表明，相对于正常的工作条件，温度每提高10摄氏度，芯片的失效概率将会提高一倍，整个电路系统的可靠性将会随着下降，所以对于高可靠性系统，功耗无疑是一项非常重要的设计参数，必须采取有效的低功耗设计方法加以保证。片上系统的发展和芯片集成度的进一步提高使得单个芯核的面积越来越大，芯核上集成的功能越来越多，芯片的整体功耗也相应地随之大幅度提高，这对低功耗技术提出了更高的挑战。移动设备(如手机、掌上电脑、移动多媒体，还有一些特殊的应用如心脏起搏器等)无法配备体积过大的散热装置，而且移动电源容量也是很有限的，低功耗技术显得尤其重要。

集成电路的功耗不但在很大程度上影响着电路系统的成本，影响着电路的可靠性和稳定性，还直接影响着其在某些领域中的应用前景。低功耗技术已经被广泛应用于电池供电的移动设备、高性能系统芯片、高集成度深工艺的芯片、片上系统及测试技术中。低功耗设计是一个复杂的综合性课题。其流程包括功耗建模、评估以及优化等，同时，功耗优化与系统速度和面积等指标的优化密切相关，需要综合考虑。

电源系统低功耗技术通过充分利用电池的电化学特性提高其能量利用率，达到延长系统有效工作时间的目的。DPM(Dynamic Power Management，动态功耗管理)技术是根据系统所需服务和性能级别，动态地配置系统，使系统中各功能模块出于满足性能需求所需的最低功耗状态，从而实现节电功耗的目的。本质上，电压改变是模块功耗状态改变的实现手段，而电压的改变可以通过各个模块的开关的开闭来控制。已有的功耗管理算法有两类，即启发式算法和统计类算法。前者是根据工作负载的历史信息，预测未来空闲周期。如果时间足够长，带来的功耗降低足以抵消功耗转换开销，则进入休眠状态，如超时(Timeout)算法。后者以排队论为基础，用各种复杂的概率模型来描述系统请求的时间间隔、服务时间等。根据决策执行的方式，可以分为基于离散时间和事件驱动，其模型的理论基础都是Markov链。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种在电力计量监测终端设计上，对终端进行模块化设计，每个模块采用电源可控制开断的分布式电源，通过控制终端实际运行过程中没有投运的模块进行电源关断，从而降低终端功耗的方法，是一种基于半Markov控制过程模型的电力终端低功耗技术的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于半Markov控制过程模型实现电力终端低功耗的方法，其包括如下步骤：

A、终端上电，功能模块上电初始化；

B、低功耗模型参数初始化，并监测终端状态和电量；

C、核心板判断功能模块是否需要继续工作；

D、比较剩余电量和模型计算得出的电量，即Δt时间消耗的电量ΔE；

E、GPIO输出低电平信号控制对应不需要工作功能模块的电源通断电路，关闭该模块供电，否则GPIO输出高电平信号控制对应模块的电源通断电路，开启模块供电；

F、重复上述步骤，直到所有模块都处于空闲状态，并寻找出一个最优的控制策略。

本发明的方法首先对电力终端内部的部分功能进行模块化设计，每个模块的直流供电采用分布式直流供电设计；然后对于分布式DC/DC电压转换选用高性能开关电源芯片进行方案设计，减少线性降压电路的使用，提高终端电源的使用效率；最后在实际应用中，对各部分的功能模块进行独立的电源开断控制，可以通过建立随机模型来描述和求解动态电源管理问题，采用Timeout算法的动态电源管理系统转换到休眠状态之前在空闲状态的持续时间是一个恒定水平，如果不满足指数分布的假设，则可以用一个半Markov过程来描述系统的动态，从而将动态电源管理问题转化为一个半Markov控制过程的策略优化问题。当模块在实际运行过程中没有使用时，能够通过关断该部分电路的直流供电，从而控制终端的实际运行功耗。

上述对电力计量监测终端内部的部分功能进行模块化设计，包括无功补偿控制模块电路、Wi-Fi通讯模块电路、远程控制模块电路和液晶显示模块电路。

上述Timeout算法，即根据系统状态转换的开销，确定时间平衡值T_BE。用户根据需求，设定时间阈值T₀(T₀＞T_BE)，当空闲时间大于T₀时，进入休眠状态，直到新的请求唤醒系统为止。该算法具有简单易实现的特点，在多种应用环境中能够取得较好的应用效果，作为一种工业标准在实际系统中广泛采用，如MS Windows和IEEE802.11g。

步骤B的具体说明如下：

功耗基本定义为能量消耗的速率，计算方式如下：

$P=\frac{\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{\Δt}},\mathrm{\ΔE}=\frac{P_{\mathrm{left}}-P_{\mathrm{mode}l}}{P_{\mathrm{left}}}$

其中，ΔE为Δt时间内的能耗差率，P_left,P_model分别为实际剩余能量和模型计算得出的剩余能量。

从上面的计算公式可以看出，当Δt→0时，P代表瞬时功耗；否则，代表Δt时间内的平均功耗。两者的意义不同，有不同的应用背景和优化策略。从低功耗的角度出发，实际研究中可根据不同的情况加以区分，通常前者的目标是降低峰值功耗，解决电路可靠性问题，如电迁移、热载流子等效应对电路可靠性造成的影响；而后者的目标是降低给定时间内的能量消耗(低能耗设计)，主要针对电池供电的便携电子设备，以延长电池寿命或减轻设备重量。

根据CMOS工艺，功耗来源主要有四种：漏电流功耗、短路电流功耗、Standby电流功耗和开关电容电流功耗。其中，前三种所占比重较小，约占30％。因此，现有功耗优化技术主要面向占总功耗70％的开关电容电流功耗，此部分功耗源自节点电容的充电放电，其数学模型如下：

$P=\frac{1}{2}\mathrm{\α}\·C\·V_{\mathrm{dd}}^2\·f_{\mathrm{clock}}$

其中，f_clock为时钟频率，C为节点电容，α为节点的翻转概率，V_dd为工作电平。

步骤C的具体说明如下：

基于Timeout算法的功耗管理方法是空闲等待一段时间后仍无运行要求的信号到来便进入睡眠状态，或者关闭状态。最小的空闲时间长度称为临界关闭时间，记为T_th。设运行功耗为P_run，P_sleep为睡眠功耗，T_i为空闲时间，T₀为进入睡眠状态所需的时间T_in和唤醒所需时间T_wakeup之和，E₀是进入睡眠和唤醒时所付出的额外的能量，为了降低功耗，有：

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{run}}\·T_i-[P_{\mathrm{sleep}}(T_i-T_0)+E_0]\≥0\\ \⇒T_i\≥(E_0-P_{\mathrm{sleep}}\·T_0)/(P_{\mathrm{run}}-P_{\mathrm{sleep}})\end{array}$

因此，临界关闭时间为：

T_th≥(E₀-P_sleep·T₀)/(P_run-P_sleep)

T_th与模块本省和进入何种低功耗模式有关。

步骤5包括以下子步骤：

E1、根据具体应用配置为输入或输出

①作为普通GPIO输入：

根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。

②作为普通GPIO输出：

根据需要配置该引脚为推挽输出或开漏输出，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。

③作为普通模拟输入：

配置该引脚为模拟输入模式，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。

④作为内置外设的输入：

根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时使能该引脚对应的某个复用功能模块。

⑤作为内置外设的输出：

根据需要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出，同时使能该引脚对应的所有复用功能模块。

E2、输出模式下，配置速度

I/O口输出模式下，有3种输出速度可选(2MHz、10MHz和50MHz)，这个速度是指I/O口驱动电路的响应速度而不是输出信号的速度，输出信号的速度与程序有关(芯片内部在I/O口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路，用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路)。通过选择速度来选择不同的输出驱动模块，达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。关键是GPIO的引脚速度跟应用匹配。

E3、GPIO口初始化

①使能GPIO口的时钟

②配置模式设置(8种模式)

STM32的GPIO的时钟统一挂接在APB2上，具体的使能寄存器为RCC_APB2ENR该寄存器的第2位到第8位分别控制GPIOx端口的时钟使能。如打开PORTA时钟，RCC->APB2ENR|＝1<<2。如果把端口配置成复用输出功能，则还需开始复用端口时钟，并进行相应配置。

E4、GPIO配置寄存器

GPIO口配置是通过配置寄存器来进行的，每个GPIO端口有：两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)分别控制每个端口的高八位和低八位。如果IO口是0-7号的话，则写CRL寄存器；如果IO口是8-15号的话，则写CRH寄存器。

两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR，GPIOx_ODR)一个是只读作输入数据寄存器，一个是只写作输出寄存器。一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)。一个16位复位寄存器(GPIOx_BRR)。一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。四个常用的IO端口寄存器：CRH，CRL，IDR，ODR。

步骤F的具体说明如下：

将动态低功耗管理转化为一个Markov控制过程的策略优化问题。考虑处于某种工作环境中的动态低功耗管理模块，为单一种类的服务请求提供工作与关闭两种服务。服务请求到达服从泊松分布，到达率为τ。设服务队列容量为Vol，采取FIFO(First In First Out)的排队规则，服务处理器对服务请求的处理时间服从指数分布，服务率为μ，功率消耗为c_p，系统处于空闲和工作时的功率消耗分别为c_c和c_w，空闲至工作状态之间的转换，所需时间服从T_s±ΔT上的均匀分布，转换过程的功率消耗用c_k表示。

电源管理控制器监控的运行情况，根据Timeout算法确定控制行动。其策略可以用Timeout阈值λ来刻画，阈值的取值范围是[0,∞)。以空闲、空闲至工作及工作状态时系统中服务请求的个数作为系统的状态，并以自然数列标记，则系统的状态空间为：

S＝{c,(c→w),(w→1),…,(w,N)}＝{1,2,…,N+1}

在Timeout策略λ的驱动下，系统的状态演化可以用一个半Markov过程{S,Q(λ,t)}来描述，其中Q(λ,t)＝[Q_ij(λ,t)]i,j∈S为状态的持续时间(t)与下一个转移到状态的联合概率分布。状态之间的转移概率为在状态i∈S持续时间的均值为转移速率拟无穷小矩阵定义为：

A(λ)＝[a_ij(λ)]

a_ij(λ)＝-κ_i(λ)(I_ij-Q_ij(λ))

其中，

$I_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{c}1,i=j;\\ 0,i\&NotEqual;j.\end{array}\right.$

对于A(λ)不可约，系统的稳态概率存在且唯一，记为p′(λ)＝(p₁(λ),p₂(λ),…,p_N+1(λ))，满足平衡方程：

p′(λ)A(λ)＝0

A(λ)1_N+1＝0

p′(λ)1_N+1＝1

其中，1_N+1＝(1,1,…,1)^T。控制行动集D＝{d_cw}，其中d_cw表示将系统从空闲状态切换至工作状态。

定义系统的性能函数f^p′:S→R为有界函数，其向量形式为系统的平均性能测度为

${\mathrm{\&pi;}}^{p^{\&prime;}}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^{N+1}{p}_i\left(\mathrm{\&lambda;}\right){f_i}^{p^{\&prime;}}$

功耗函数f^c:S→R为有界函数，其向量形式为系统的平均性能测度为

${\mathrm{\&pi;}}^c\left(\mathrm{\&lambda;}\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^{N+1}{p}_i\left(\mathrm{\&lambda;}\right){f_i}^c$

动态低功耗管理的半Markov控制过程模型描述为

{S,A(λ),D,(f^p′,f^c),(π^p′(λ),π^c(λ))}

动态低功耗管理的策略优化转化为一个带约束的优化问题，即寻找一个最优控制策略在满足系统吸能要求Η的条件下，使得系统的功耗最小，即求解：

$\mathrm{object}:\underset{\mathrm{\&lambda;}\&Element;[0,\&infin;)}{\min }{\mathrm{\&pi;}}^c\left(\mathrm{\&lambda;}\right)$

s.t.π^p′(λ)≥Η

本发明的半Markov控制过程模型，从系统整体角度进行性能和功耗的均衡。半Markov控制过程模型对系统的动态特性描述精确，优化算法不依赖系统参数的信息，自适应性强；无需计算各状态的性能势或其它相关量，计算量和所需的存储空间小，可有效提高算法的实时性；算法具有全局收敛性，克服了梯度方法的固有局限，保证了算法的应用效果。

根据本发明另一具体实施方式，步骤E包括如下子步骤：

E1、根据具体应用配置为输入或输出；

E2、输出模式下，配置速度；

E3、GPIO口初始化；

E4、GPIO配置寄存器。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

本发明综合考虑了离散时间和事件驱动方法的特点，提供一种基于半Markov控制过程模型的电力终端低功耗技术的方法，以改进离散模型的缺陷和可能带来较大的误差。针对在电力计量监测终端设计上，对终端进行模块化设计，每个模块采用电源可控制开断的分布式电源，通过控制终端实际运行过程中没有投运的模块进行电源关断，从而降低终端功耗的方法。该算法不依赖系统参数的信息，自适应性强；无需计算各状态的性能势或其它相关量，计算量和所需的存储空间小，可有效提高算法的实时性；具有全局收敛性，克服了梯度方法的固有局限，保证了算法的应用效果。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1为实施例1的实现原理的结构示意图；

图2为实施例1中基于半Markov控制过程模型的电力终端低功耗技术的流程图；

图3为低功耗模型的实现流程图；

图4为动态功耗管理(DPM)的示意图；

图5为电源通断电路示意图；

图6为负压驱动的单电源供电液晶控制模块；

图7为正压驱动的单电源供电液晶控制模块；

图8为不同仿真参数下的算法收敛速度。

具体实施方式

实施例1

为了验证本发明方法的有效性，说明算法的优良特点，设计下面实验对其进行验证和比较研究。首先对电力终端内部的部分功能进行模块化设计(如图1所示)，每个模块的直流供电采用分布式直流供电设计，并基于低功耗模型及动态功耗管理(如图3-图4所示)，通过监测负载情况，对没有投运的功能模块进行独立的电源开断控制(如图5所示)。

按照如下步骤(如图2所示)进行实验研究：

步骤A：终端上电，功能模块上电初始化；

对各功能模块进行上电初始化，包括无功补偿控制模块电路、Wi-Fi通讯模块电路、远程通讯模块电路和液晶显示模块电路的上电初始化。其中无功补偿控制模块电路设计类型没有统一的模式，在应用过程中，应该在技术经济上综合考虑，根据具体情况进行分析，来决定采用何种无功补偿控制方法，从而达到设备经济、稳定运行的目的。

液晶显示模块的供电主要取决于驱动芯片，除了需要逻辑电压以外，还需要LCD的驱动电压，其中LCD的驱动电压分为两种：正压驱动(参考点为VSS)和负压驱动(参考点为VDD)。DIJIN的很多模块已经集成了产生LCD驱动电压的DC/DC电路，用户使用时采用单一3.3V或者5.0V电压供电就可以工作。显示的深浅效果比值称之为“显示对比度”液晶显示模块的V0接口就是用来调节对比度的，用户可通过外接电位器VR来调节显示效果。针对不同的液晶显示模块的驱动特征，提供了两种单电源供电的液晶显示模块电路设计方案(如图6-图7所示)。

步骤B：低功耗模型参数初始化，并监测终端状态和电量；

参数初始化如下：各状态的功耗和状态之间的转换时间如表1所示，数据传送速率为1，系统中等待传送的数据队列服务队列的容量为2，以平均队列长度(AQL)作为性能测度，性能要求AQL≤0.55。

表1参数初始化

监测终端状态和电量，在恰当的电量承受范围判断各个模块的电源开关是否是工作状态(如图3-图4所示)。

步骤C：核心板ARM9260判断功能模块是否需要继续工作；

如果终端已经超过了电量(电压)承受范围，为了降低功耗而应该将其关闭，此时该模块系统进入关闭状态。

步骤D：比较剩余电量和模型计算得出的电量，即Δt时间消耗的电量ΔE；

步骤E：GPIO输出低电平信号控制对应不需要工作功能模块的电源通断电路，关闭该模块供电，否则GPIO输出高电平信号控制对应模块的电源通断电路，开启模块供电。

步骤F：重复上述步骤直到所有模块处于空闲状态，并寻找出一个最优的控制策略。

实验中采用不同的到达率来测评算法在不同应用环境中的自适应性，步长序列采用γ_m＝1/m,m＝1,2,….的形式。

图8所示为在不同到达率下的算法收敛效果。从图8中可以看出，算法优化的超时策略与最优随机策略具有相同的应用效果，在满足系统设计性能要求的同时，有效地降低了系统功耗。

从实验过程中可以看出，在电力终端设计上，对终端进行模块化设计，每个功能模块采用分布式电源设计，基于半Markov控制过程的性能分析与优化模型，通过控制终端实际运行过程中没有投运的模块进行电源关断，采用Timeout策略的动态低功耗管理描述精确，从而降低终端功耗的方法，算法自适应性强、计算量小，具有较高的实际应用价值。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (2)

1.一种实现电力终端低功耗的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、终端上电，功能模块上电初始化；

B、低功耗模型参数初始化，并监测终端状态和电量；

C、核心板判断功能模块是否需要继续工作；

D、比较剩余电量和模型计算得出的电量，即Δt时间消耗的电量ΔE；

E、GPIO输出低电平信号控制对应不需要工作功能模块的电源通断电路，关闭该模块供电，否则GPIO输出高电平信号控制对应模块的电源通断电路，开启模块供电；

F、重复上述步骤，直到所有模块都处于空闲状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤E包括如下子步骤：

E1、根据具体应用配置为输入或输出；

E2、输出模式下，配置速度；

E3、GPIO口初始化；

E4、GPIO配置寄存器。