CN114578950A - 一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统及方法，系统包括：信号采集子系统，设计于前端设备上，通过操控子系统连接数据处理子系统，用于通过信号采集终端进行信号采集与存储，并将采集的信号上传给操控子系统；操控子系统，用于通过WIFI连接信号采集子系统及数据处理子系统，将信号采集子系统上传的信号转发给数据处理子系统，同时向信号采集子系统下发工作指令；数据处理子系统，设计于后端设备上，接收操控子系统转发的信号，并对其进行数据处理与显示。本发明通过优化数据采集策略、芯片精细化管理以及自适应动态电源管理任务进，实现智能低功耗管理技术的横向突破，为后续微型设备长续航研究提供了技术基础。
Description
技术领域
本发明涉及电磁感知领域，尤其涉及一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统及方法。
背景技术
在无线电技术和应用不断拓展的今天，如何能在信息化条件下，通过目标应用场景、类别、体制等基准信息完成精细化监测，成为掌控区域电磁态势的关键。
在申请号为CN202011209372.7的中国发明专利申请文件中提到了一种低空目标知识辅助智能电磁感知方法、系统及存储介质，其中有提到：低空电磁信息的获取依靠多种不同种类的分布式感知设备，由于受限于各类感知设备的功耗、处理能力等约束条件，对海量电磁信息感知面临严峻考验，具体表现在：复杂的智能算法应用必然受到诸多限制，往往依赖于简单的信号参数数据库，因而对先验信息的利用不充分；同时由于电磁信号具有随机性、未知性、复杂性和时变性等特点，缺乏有效、全面的训练样本，制约了感知设备对复杂电磁环境的适应能力。以上几点使得感知能力提升面临巨大的挑战。
目前，传统监测设备（如车载式、固定式、可搬移式等）体积大、功耗高，不适于长时运行及随身携带，无法满足特定区域或敏感区域的侦察工作；而新一代小型化监测设备、体积小、重量轻，可满足人员携带及区域侦测，但受限于电池容量瓶颈，无法满足长时运行要求；而且大多数监测设备为一体化设计、即数据接收和采集设计集成一体，提高了设备处理时效，但整体功耗和设备体积无法减小，为后续隐蔽式使用制造了难题；同时，根据产品调研，目前市面上大部分小型监测设备只有待机和运行双模式，无法按照监测场景、类别以及体制完成工作模式制定，模式较为单一，无法胜任多场景精细化测量任务。
发明内容
本发明提供一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统及方法，用以解决现有技术中微型电磁感知设备工作模式单一、体积过大、无法长时间续航等技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统，其采用前后端分离设计，包括：信号采集子系统、操控子系统及数据处理子系统，其中：
信号采集子系统，设计于前端设备上，通过操控子系统连接数据处理子系统，用于通过信号采集终端进行信号采集与存储，并将采集的信号上传给操控子系统；
操控子系统，用于通过WIFI连接信号采集子系统及数据处理子系统，将信号采集子系统上传的信号转发给数据处理子系统，同时向信号采集子系统下发工作指令；
数据处理子系统，设计于后端设备上，接收操控子系统转发的信号，并对其进行数据处理与显示。
更进一步的，所述前端设备采用一片低功耗MCU作为电源动态管理核心，用于实现整机电量监测、系统只能控制及任务自适应切换。
更进一步的，所述前端设备采用自适应动态电源管理技术，并配置电池组，将电池电量引脚及各电源使能引脚连接入MCU，由MCU控制电源通断。
更进一步的，所述MCU的串口连接PS，用于接收操控子系统下发的工作策略，并根据工作策略进行内部供电状态的调整，实现动态智能采集。
更进一步的，对所述信号采集子系统的芯片进行精细化管理。
更进一步的，通过门控时钟及RTL对芯片进行低功耗设计，在前端设备未使用时截断时钟。
更进一步的，所述芯片状态机编码采用格雷码或独热码，所述芯片使用芯片共享机制。
更进一步的，所述信号采集子系统包括：定点分时工作模式、移动工作模式及定点连续工作模式，其中：
定点分时工作模式：用于长时间持续发射信号的电磁环境数据采集及对已知频点进行样本IQ数据采集；
移动工作模式：用于对关心的某个区域的电磁环境数据进行采集及对某些关心的频点进行样本IQ数据采集；
定点连续工作模式：用于采集持续发射信号、偶发信号或间发信号以及监测短时出现的信号，及对某些关心的频点进行样本IQ数据采集。
一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制方法，其包括以下具体步骤：
S1：信号采集子系统进行信号采集与存储，并将采集的信号上传给操控子系统；
S2： WIFI连接信号采集子系统及数据处理子系统，通过操控子系统将信号采集子系统上传的信号转发给数据处理子系统，同时向信号采集子系统下发工作指令；
S3：数据处理子系统接收操控子系统转发的信号，并对其进行数据处理与显示。
本申请的有益效果：
（1）可有效实现设备无人干预情况下超长时间连续工作。通过优化数据采集策略、芯片精细化管理以及自适应动态电源管理任务，实现智能低功耗管理技术的横向突破，为后续微型设备长续航研究提供了技术基础。
（2）按照实际应用场景及类别提供多种数据采集策略（任务模式），可按需调整、开启或关闭部分功能；并通过自适应动态电源管理技术以及芯片精细管理方法，实现了在各个策略模式下，电路的动态自适应运行，保障了芯片组及功能电路的运行开销，高效应用电路资源，提高整体工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图的结构获得其他的附图。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为典型门控逻辑示意图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统，其采用前后端分离设计，包括：信号采集子系统、操控子系统及数据处理子系统，其中：
信号采集子系统，设计于前端设备上，通过操控子系统连接数据处理子系统，用于通过信号采集终端进行信号采集与存储，并将采集的信号上传给操控子系统；
操控子系统，用于通过WIFI连接信号采集子系统及数据处理子系统，将信号采集子系统上传的信号转发给数据处理子系统，同时向信号采集子系统下发工作指令；
数据处理子系统，设计于后端设备上，接收操控子系统转发的信号，并对其进行数据处理与显示。
在本实施例中，所述前端设备采用一片低功耗MCU作为电源动态管理核心，用于实现整机电量监测、系统只能控制及任务自适应切换。
在本实施例中，所述前端设备采用自适应动态电源管理技术，并配置电池组，将电池电量引脚及各电源使能引脚连接入MCU，由MCU控制电源通断。
在本实施例中，所述MCU的串口连接PS，用于接收操控子系统下发的工作策略，并根据工作策略进行内部供电状态的调整，实现动态智能采集。
在本实施例中，对所述信号采集子系统的芯片进行精细化管理。
在本实施例中，通过门控时钟及RTL对芯片进行低功耗设计，在前端设备未使用时截断时钟。
在本实施例中，所述芯片状态机编码采用格雷码或独热码，所述芯片使用芯片共享机制。
在本实施例中，所述信号采集子系统包括：定点分时工作模式、移动工作模式及定点连续工作模式，其中：
定点分时工作模式：用于长时间持续发射信号的电磁环境数据采集及对已知频点进行样本IQ数据采集；
移动工作模式：用于对关心的某个区域的电磁环境数据进行采集及对某些关心的频点进行样本IQ数据采集；
定点连续工作模式：用于采集持续发射信号、偶发信号或间发信号以及监测短时出现的信号，及对某些关心的频点进行样本IQ数据采集。
一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制方法，其包括以下具体步骤：
S1：信号采集子系统进行信号采集与存储，并将采集的信号上传给操控子系统；
S2： WIFI连接信号采集子系统及数据处理子系统，通过操控子系统将信号采集子系统上传的信号转发给数据处理子系统，同时向信号采集子系统下发工作指令；
S3：数据处理子系统接收操控子系统转发的信号，并对其进行数据处理与显示。
1、硬件部分
前后端分离设计
微型易用电磁感知设备采用前后端分离设计，设计时将数据采集部分和数据处理部分独立封装，从而将系统划分为前端信号采集终端、以及后端操控及处理平台。通过前后端分离设计，实现了前端数据采集及存储，后端数据处理及显示，有效降低了单机工作逻辑，减少了设备功耗。
自适应动态电源管理技术
在设计信号采集终端时，以电池组实际容量为切入点进行反向推导，按照电池组所占用空间、重量、最大电容量情况依次分配其余各模块可供使用的功耗及空间情况。
设备采用一片低功耗MCU作为电源动态管理核心，可实现整机电量监测、系统智能控制、任务自适应切换等功能。
通过功能电路分离供电设计，将MCU长时供电，其他各模块（如PL、PS、接收机、北斗/GPS模块、WIFI模块等）自适应分离供电。
设计时，将电池电量引脚，各电源使能引脚连接入MCU，由MCU实现电源关断。同时MCU的串口与PS连接，通过上位机（手机操控软件）下发的不同工作策略，调整内部供电状态，实现动态智能采集，达到降低整体设备功耗的目的。
芯片精细化管理
集成电路设计可以从系统级、RTL级、门级、物理级四个不同的级别对实际电路进行抽象。每个级别都可以进行功耗的优化，研究表明RTL级功耗的优化占整个系统功耗的比重高达20%~50%，因此，对RTL级进行低功耗优化设计是必不可少的。
本次芯片低功耗设计以门控时钟（门控时钟属于体系结构级的降功耗技术，因为时钟树几乎占整个芯片功耗的50%）与RTL（寄存器传数级）为设计要点。其中门控时钟设计方式，是在器件未使用时截断时钟来降低功耗。
门控时钟
设计中，消除时钟线上的任何毛刺，保证门控信号与门控逻辑精确。同时在门控逻辑设计时，引入抗熔断技术，降低逻辑实现的建立与保持时间，将门控时钟网络的延时降到最低，以降低芯片开销。
典型门控逻辑如图2所示。
RTL（寄存器传数级）
设计中将状态机编码使用格雷码或者独热码，使输出更稳定、更快速。
采用芯片资源共享机制，降低重复逻辑时芯片占用面积，降低功耗。
采用总线反转计数，当记录数据和下一个数据之间的汉明距离大于N/2（N是总线宽度）时，就将一个数据反向后传输以减少总线上出现转换的位数量。
采用存储器分块访问技术，将一个存储器分成两个或者多个存储器，加上片选信号分块访问，可以高效降低芯片的功耗。
采用低漏电流SRAM，高速工作模式、低漏电流模式和待机模式利用内置的电源控制电路，极精简地控制电压，从而降低漏电流。
芯片流程优化
除此外，FPGA可编程门电路与DDC数字下变频的流程优化，也能达到降低功耗的目的。FPGA动态功耗主要体现为存储器、内部逻辑、时钟、I/O消耗的功耗。其中存储器是功耗大户，设计中主要通过以下三种方法优化：1、使用“NO CHANGE”模式，面“读”“写”操作冲突；2、时钟信号与读写信号绑定；3、纵向读写。DDC下变频会用到复数乘法器，一个复数乘法器可以减少一个乘法器的使用，达到降资源降功耗的目标。
2、软件部分
在工作策略构建上，可按照任务场景、类别划分为不同执行模式。系统设计定点采集、移动采集、连续采集三种工作模式。同时结合电源动态管理技术，在设备运行期间通过对系统的各电路电压的动态控制将设备功耗降到最低，从而最大化的节约电池电量，以达到连续工作120小时的目标。
定点分时工作模式
定点分时工作模式默认每分钟采集3秒数据（允许用户在通过手机APP下发任务时设置采集间隔时间）采集一次数据的方式，需要执行数据采集时唤醒设备，数据采集完成后让设备进入待机状态。在此工作策略下，负责电源管理的MCU会关掉不相关器件的电源使其不工作，降低设备功耗。为了降低设备运行功耗，FPGA数据采集模块执行单次采集数据，即收到一次命令DDC模块和FFT模块执行一次，然后将IQ数据输出，未收到指令时则不执行数据采集以降低功耗。
定点分时工作模式主要适合以下两种场景：
长时间持续发射信号的电磁环境数据采集：若采集任务对信号连续性要求高，则应采用连续工作策略。
对已知的频点进行样本IQ数据采集，以用于精确分析这些固定频点信号的ITU参数信息或其他信号特征。
移动工作模式
移动工作模式默认设备计算当前位置与前一次采集数据位置的距离大于任务参数制定时的设定距离时才进行一次数据采集，其他时间设备处于休眠状态，等待下次前后两次距离满足时再次触发设备开机执行数据采集。移动工作模式下设备要一直计算位置，BD/GPS要一直工作，在满足策略的情况小采集数据，不满足时设备处于休眠状态，在此工作策略下，负责电源管理的MCU会关掉不相关器件的电源使其不工作，降低设备功耗。移动工作模式下FPGA逻辑的策略与分时工作时策略一样，所消耗的功耗也一样。
移动工作模式主要适用于以下场景：
1）对关心的某个区域的电磁环境数据进行采集，可分析区域内用频信号、信号覆盖、频段占用、辐射功率等情况。
2）对某些关心的频点进行样本IQ数据采集，以用于精确分析这些频点信号的ITU参数信息或其他信号特征。
定点连续工作模式
定点连续工作模式是指设备在收到指令后持续不间断工作，完成对指定频段的无线环境进行扫描感知，数据采集，此时设备处于完全工作状态，只能通过关闭WIFI来减低功耗。
这种策略主要适用于以下场景：
1）适用于采集持续发射信号、偶发信号或间发信号以及监测短时出现的信号，对监测点位周边的电磁环境数据在时间维度上具有连续性，可统计信号的占用情况，在监测时间期间内信号的出现消失时段，可以用于判断用频设备的工作模式和工作时段。
2）也可对某些关心的频点进行样本IQ数据采集，以用于精确分析这些频点信号的ITU参数信息或其他信号特征。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统，其特征在于，采用前后端分离设计，包括：信号采集子系统、操控子系统及数据处理子系统，其中：
信号采集子系统，设计于前端设备上，通过操控子系统连接数据处理子系统，用于通过信号采集终端进行信号采集与存储，并将采集的信号上传给操控子系统；
操控子系统，用于通过WIFI连接信号采集子系统及数据处理子系统，将信号采集子系统上传的信号转发给数据处理子系统，同时向信号采集子系统下发工作指令；
数据处理子系统，设计于后端设备上，接收操控子系统转发的信号，并对其进行数据处理与显示。
2.如权利要求1所述的一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统，其特征在于，所述前端设备采用一片低功耗MCU作为电源动态管理核心，用于实现整机电量监测、系统只能控制及任务自适应切换。
3.如权利要求2所述的一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统，其特征在于，所述前端设备采用自适应动态电源管理技术，并配置电池组，将电池电量引脚及各电源使能引脚连接入MCU，由MCU控制电源通断。
4.如权利要求3所述的一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统，其特征在于，所述MCU的串口连接PS，用于接收操控子系统下发的工作策略，并根据工作策略进行内部供电状态的调整，实现动态智能采集。
5.如权利要求1所述的一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统，其特征在于，对所述信号采集子系统的芯片进行精细化管理。
6.如权利要求5所述的一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统，其特征在于，通过门控时钟及RTL对芯片进行低功耗设计，在前端设备未使用时截断时钟。
7.如权利要求6所述的一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统，其特征在于，所述芯片状态机编码采用格雷码或独热码，所述芯片使用芯片共享机制。
8.如权利要求1所述的一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制系统，其特征在于，所述信号采集子系统包括：定点分时工作模式、移动工作模式及定点连续工作模式，其中：
定点分时工作模式：用于长时间持续发射信号的电磁环境数据采集及对已知频点进行样本IQ数据采集；
移动工作模式：用于对关心的某个区域的电磁环境数据进行采集及对某些关心的频点进行样本IQ数据采集；
定点连续工作模式：用于采集持续发射信号、偶发信号或间发信号以及监测短时出现的信号，及对某些关心的频点进行样本IQ数据采集。
9.一种基于微型电磁感知设备的低功耗管理控制方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1：信号采集子系统进行信号采集与存储，并将采集的信号上传给操控子系统；
S2： WIFI连接信号采集子系统及数据处理子系统，通过操控子系统将信号采集子系统上传的信号转发给数据处理子系统，同时向信号采集子系统下发工作指令；
S3：数据处理子系统接收操控子系统转发的信号，并对其进行数据处理与显示。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114578950B (zh) | 2023-11-07 |
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