【摘要】随着我国电子技术不断发展，人们对电子产品性能与可靠性也有所增加，特备是电子产品寿命方面的问题，已经成为了社会关注焦点。考虑到电子产品寿命会直接受到集成的电路温度影响，也就是运行温度升高，其寿命也会随之降低。所以，集成电路设计中功耗是需要重点关注的问题，加强DSP+FPGA平台功耗管理的研究有着重要意义。
关键词：DSP+FPGA平台；功耗管理；研究；方法
引言
在电子领域，DSP+FPGA平台增长速度非常快，系统运行温度每提升10℃，芯片失效率就会增加1倍，可靠性大幅度下降，再加上电路规模越来越大，工作频率升高，进一步加剧了散热成本和能耗管理难度。在精密电子领域中，电子可靠性是一项人们重点关注的问题，设备寿命会直接影响其运行的可靠性。发热对集成电路使用寿命和功耗有着直接关系，而降低能耗可以有效降低运行温度和延长寿命，需要对低功耗技术加强研究。如果电路系统长期在高功耗下运行，会升高温度、影响使用寿命，因此要对DSP+FPGA平台展开低功耗优化工作，并且要保证能耗管理的有效性。
1.DSP+FPGA平台功耗分析
1.1电源模块
在电路系统当中，电源作为电压转换、提供电能的重要设备，常见电源包括线性稳压电源、开关稳压电源。二者运行原理不同，电压转化率也存在着较大的差异。理论上线性稳压电源的损耗率要高于开关电源，但投入运行中更加稳定。而功耗主要是受到电能转换率影响。如在12V直流电压转换5V电压当中，理论上电源转化率为41.6%，假设电流为30mA，则系统能耗为720mW，并非是300mW，其损耗量为720-300=420mW。因此要在电源设计当中，要找出运行稳定性、转换率的权衡关系。
1.2数据采集模块
在DSP+FPGA平台当中，数据采集模块是十分重要的组成部分，以AD7606为例，该采集模块具有双极性输出、16位高分辨率、同步采样功能。但如果采集模块系统中A/D转化速度慢，再加上多路切换，则在高速工作中会造成DSP等待能耗增加。多路开关切换与译码控制也会增加采集模块整体能耗，多路开关对后面运算放大器会输入阻抗。数据采集模块并非是一直工作状态，待到数据采集完毕之后，依然处于固定频率，这就增加了诸多的功耗浪费问题。在数据采集煤矿优化当中，重点是改造内部结构，减少多路开关使用量，在数据采集中采用同步采集。
1.3FPGA模块
FPGA是系统中主要的能耗来源之一，FPGA的工作频率、电压、工艺水平、I/O标准、时钟短路、空引脚状态、配置电路、存储器等都是存在损耗。FPGA静态功耗是指偏置电流、晶体管漏电功耗。如今集成电路发展的已经十分成熟，各项参数也更加透明，如90nm生产工艺则会造成严重的FPGA电流泄露问题；如果采用65nm工艺，此问题会更加严重。人们通常都是采用降低阈值电压方案提高晶体管性能，但也会增加泄露电流量。此外，I/O功耗也非常大，不同标准和能耗也有很大的差异性。所以尽可能挑选低功耗I/O标准，但低功耗由于能耗不足所以会影响系统运行效率，因此要做好二者的权衡。
1.4DSP模块
大部分DSP都是采用CMOS工艺，该工艺静态功耗相对较小，但是动态功耗问题十分严重，动态功耗就和工作频率有着直接联系。如果DSP一直是采用高频率运行，则会造成大量的功耗问题，所以当不需要DSP全频运行时，适当调整工作频率即可降低系统运行功耗。此外，软件编写也与DSP功耗有直接关系，CPU在执行不同指令时，电流损耗不同，所以软件编写如果不合理会直接增加能耗。
2.DSP+FPGA平台功耗管理方案
DSP+FPGA平台中，FPGA负责数据采集，在DSP系统发出指令时，乐DSP系统会自动完成数据处理。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆但想要实现降耗设计目标，在原系统架构不改变的基础上，采用动态功耗管理模式可以有效降低功耗，采用MSP430单片机用作控制模块，即可实现平台功能组合，在统一平台上实现各个模块的操作。其主要表现在：
2.1电源模块
电源模块转化率与系统运行能耗有着直接联系。高转换效率意味着有更的有功电压。所以在低功耗小电流场合，建议采用开关稳压电源。结合DSP、FPGA平台需求，电源系统会负责提供多种电源输出模块，包括3.3V、2.5V、1.2V；模拟电路和A/D需要采用5V和3.3V电源。采用具有关断功能的热保护电源、DC-DC高效变换器、低电压差稳压电源。运放供电电源使用线性稳压芯片展开二次稳压工作。假设系统是采用24V外部直流供电方案，想要实现这一目标，需要先降压再变换。采用低能耗开关电源芯片（转换率≥90%），将外部电压24V转化为12V、5V左右即可。想要生产数±10V电压，可以应用芯片LTC3260将电源转化为±对称电源，该芯片是一款低噪声、双通道负输出充电泵，并且在输出中会产生电压波纹，采用正负电源稳压芯片即可实现±10V电源。为了保证电源管理的灵活性，要采用可以针对性对电源关断控制电路系统，模拟电压测量电路采用光电隔离控制。
2.2DSP+FPGA模块
在整个系统平台当中，DSP选用高速运算单片机。其中，DSP作为系统主要控制终端、FPGA为辅处为系统采集数据、传输数据，采用EMIF接口通信模式。在功耗管理模式中，FPGA主要是控制AD模块实现数据采集，借助CS、RST、CVA信号实现，将所采集数据中存储到寄存器中。采用可视化技术即可将采集信息数据经过MSP430单片机处理之后呈现在显示屏上。DSP主要是处理FPGA所采集的数据。
2.3数据采集模块
电路系统当中，多路开关与运算放大器会因为阻抗问题相互影响，阻抗升高会增加能耗、提升运行温度，这样就会增加系统整合功耗、降低运行效率，因此不建议采用多路选通开关。配电电压采用分压缓冲AD转换，该方案采用了光电隔离方案，不仅可以减少能耗，还可以降低相互干扰，FPGA系统可以发出AD转换信号。与ADC转换同步进行，信号由FPGA发出能够减少信号延迟，实时呈现、转化数据信息、降低转换中DSP和FPGA工作时间，这样系统运行功耗也会有所降低。采用二阶抗混叠滤波器ADC，由于是一种集成型设备，所以可以减少整个系统复杂度和其他元器件投入量，因此在一定程度上也可以降低功耗。应用最新的AD，也会有效降低节电功耗模式。FPGA产生CS、RD、CVA信号，在AD模块获取到CVA信号时，系统会根据信号指令内容工作，获取RD、CS信号时，系统会自动输出采集信号。
结束语
综上所述，低功耗设计是在DSP+FPGA平台基础上进行系统优化，采用了动态功耗管理方案，采用MSP430作为管理模块，将管理策略应用到动态功耗管理中，在样本数容量＜4时，系统会进入到空闲状态，空闲时间大于设定阈值即可进入到休眠状态；在样本容量＞4时，即可预测下一次空闲时间，与模式切换临界时间对比，确定进入哪种工作模式的，从而实现节能减耗的目标。
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作者简介：连杰，男，1987，目前就职于中煤科工集团西安研究院有限公司,主要研究地球物理与信息技术、钻探技术与装备。
基金项目：中煤科工集团西安研究院有限公司2018年度科技创新基金项目 2018XAYMS01
论文作者:连杰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
标签：功耗论文; 系统论文; 模块论文; 电源论文; 电压论文; 平台论文; 数据采集论文; 《电力设备》2019年第8期论文;