《電子技術(shù)應(yīng)用》
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體域網(wǎng)基帶驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
吳開(kāi)斌,陳 嵐,呂 超
中國(guó)科學(xué)院微電子研究所,北京100029
摘要: 測(cè)試驗(yàn)證是SoC設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要步驟,針對(duì)穿戴式體域網(wǎng)基帶SoC在驗(yàn)證中的測(cè)試向量復(fù)雜、射頻可靠性要求高、結(jié)果多樣化等挑戰(zhàn),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了體域網(wǎng)基帶測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)。在硬件設(shè)計(jì)上,采用高集成度FPGA(Altera-Cyclone III)、射頻芯片(MAX2837)和混合信號(hào)前端芯片(MAX19712),提高了系統(tǒng)的可靠性;在軟件上,設(shè)計(jì)了體域網(wǎng)數(shù)據(jù)流狀態(tài)機(jī),對(duì)體域網(wǎng)基帶自動(dòng)加載多種速率的數(shù)據(jù)流,驗(yàn)證其對(duì)多種健康信息的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。該驗(yàn)證平臺(tái)已經(jīng)針對(duì)自主開(kāi)發(fā)的IEEE802.15.6基帶進(jìn)行了大量的測(cè)試驗(yàn)證工作,主要指標(biāo)滿(mǎn)足體域網(wǎng)基帶芯片的驗(yàn)證需求,同時(shí)也可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他近距離無(wú)線通信芯片的設(shè)計(jì)驗(yàn)證應(yīng)用中。
中圖分類(lèi)號(hào): TM932
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.019
中文引用格式: 吳開(kāi)斌,陳嵐,呂超. 體域網(wǎng)基帶驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(6):71-73,80.
英文引用格式: Wu Kaibin,Chen Lan,Lv Chao. Design and implementation of the verification platform for WBAN Baseband[J].Application of Electronic Technique,2016,42(6):71-73,80.
Design and implementation of the verification platform for WBAN Baseband
Wu Kaibin,Chen Lan,Lv Chao
Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China
Abstract: Verification test is an important step in the design process of the SoC. To solve the questions happened in the verification of the wearable Wireless Body Area Network(WBAN) baseband SoC, such as vector complex, high reliability of RF and results diversification,this paper designed and implemented a WBAN baseband verification platform. In the hardware,highly integrated FPGA(Altera-Cyclone III), RF chip(MAX2837) and mixed-signal front-end chip(MAX19712) were used to Improve the reliability of the system. In the software, a WBAN′s data stream state machine was designed to load multi-rate data stream automatically, and verify the Quality of Service(QoS). Currently, the platform accomplished a large number of test validation for the IEEE 802.15.6 baseband system which is developed independently by ourselves. The key indicators meet the needs of WBAN chip design verification, and also can be extended to verify other short-range wireless communication chips.
Key words : wireless body area network;SoC verification;IEEE802.15.6 baseband;state machine;quality of service

0 引言

    隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,無(wú)線體域網(wǎng)在健康監(jiān)測(cè)、慢性病防治、老人看護(hù)等可穿戴設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用[1]。國(guó)際電子電氣工程協(xié)會(huì)(IEEE)于2012年2月發(fā)布IEEE 802.15.6無(wú)線體域網(wǎng)(WBAN)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)其物理層(PHY)和無(wú)線媒體介入控制層(MAC)進(jìn)行了規(guī)范[2]。該標(biāo)準(zhǔn)為穿戴式及植入式設(shè)備而設(shè)計(jì),滿(mǎn)足短距離近人體無(wú)線通信的低功耗、高安全性、高可靠性的要求[3]。隨著可穿戴式設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用,體域網(wǎng)將具有廣闊的應(yīng)用空間。在此背景下,開(kāi)發(fā)一款支持IEEE802.15.6協(xié)議的SoC基帶芯片將具有巨大的市場(chǎng)價(jià)值。

    隨著電子系統(tǒng)集成度的大幅提高,SoC的設(shè)計(jì)規(guī)模也在不斷擴(kuò)展,因此SoC的驗(yàn)證工作也越來(lái)越復(fù)雜。統(tǒng)計(jì)表明,SoC流片一次的成功率大約為35%,其失敗的主要原因是驗(yàn)證工作不夠充分[4]。為了提高芯片的良品率,在體域網(wǎng)基帶開(kāi)發(fā)的同時(shí),必須做好驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作。

    可穿戴式SoC主要用于健康醫(yī)療設(shè)備,需要對(duì)體溫、血氧、血壓、心率、心電等信號(hào)進(jìn)行采集和傳輸,這對(duì)人體健康檢測(cè)及疾病預(yù)防有重要作用,其需要較高的傳輸性能。同時(shí)由于信號(hào)的傳輸速率不同[5],在接收端會(huì)產(chǎn)生不同的延時(shí)及成功收包率。因此在驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)中需要考慮以下需求:(1)基帶協(xié)議一致性驗(yàn)證,協(xié)議幀格式正確是保證基帶完成通信的基礎(chǔ)。(2)傳輸可靠性驗(yàn)證,盡可能地為數(shù)據(jù)提供一個(gè)高質(zhì)量通信鏈路。(3)多種健康信息的服務(wù)質(zhì)量(QoS)驗(yàn)證。針對(duì)體域網(wǎng)傳輸信號(hào)的多樣性,模擬發(fā)送不同速率的測(cè)試向量,驗(yàn)證其服務(wù)質(zhì)量是否滿(mǎn)足可穿戴設(shè)備要求。

    目前,研究人員大多使用傳統(tǒng)的商業(yè)軟件無(wú)線電平臺(tái)對(duì)基帶的功能進(jìn)行驗(yàn)證,例如USRP、bladeRF及HackRF等。與使用FPGA硬件電路實(shí)現(xiàn)協(xié)議處理的體域網(wǎng)基帶不同,此類(lèi)平臺(tái)通過(guò)上位機(jī)軟件算法實(shí)現(xiàn)協(xié)議的處理與開(kāi)發(fā),并且接口封閉不便于進(jìn)一步開(kāi)發(fā),因此不能滿(mǎn)足體域網(wǎng)基帶SoC驗(yàn)證需求。

    結(jié)合IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中窄帶通信物理層電路設(shè)計(jì)規(guī)范,本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了包含F(xiàn)PGA、射頻前端、混合信號(hào)前端、電源管理等模塊的硬件系統(tǒng)。結(jié)合穿戴式健康應(yīng)用的特殊需求,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了體域網(wǎng)數(shù)據(jù)流狀態(tài)機(jī),對(duì)多輸入向量進(jìn)行自動(dòng)加載,實(shí)現(xiàn)了體域網(wǎng)基帶在不同速率下,對(duì)延時(shí)、功耗的自動(dòng)測(cè)量。針對(duì)自主開(kāi)發(fā)的IEEE802.15.6的基帶IP核設(shè)計(jì)了精準(zhǔn)的時(shí)序采集模塊,實(shí)現(xiàn)了協(xié)議幀的提取,驗(yàn)證了協(xié)議的一致性。同時(shí),為控制節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸,便于直觀地進(jìn)行測(cè)試,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)軟件,對(duì)測(cè)試結(jié)果和中間過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。

1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)

    如圖1所示,驗(yàn)證平臺(tái)硬件系統(tǒng)由高集成度FPGA、收發(fā)機(jī)電路及電源管理電路組成[6]。

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1.1 收發(fā)機(jī)電路

    收發(fā)機(jī)電路按照IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中物理層窄帶通信收發(fā)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),包括混合信號(hào)前端及調(diào)制解調(diào)前端。

    本設(shè)計(jì)采用圖2的零中頻結(jié)構(gòu)收發(fā)機(jī),與傳統(tǒng)超外差收發(fā)機(jī)相比只需要一次變頻,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單具有較高集成度,符合體域網(wǎng)可穿戴設(shè)備小型化、便于攜帶的要求。但是由于本振頻率較高,需要性能較高的壓控振蕩器及頻率合成器,因此使用集成的零中頻調(diào)制解調(diào)芯片MAX2837及混合信號(hào)前端芯片MAX19712。 

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    MAX2837是一款零中頻收發(fā)前端,包括壓控振蕩器(VCO)、晶體振蕩器、頻率合成器、混頻器、低通濾波器、功率放大器及低噪聲放大器等。通過(guò)SPI接口配置內(nèi)部寄存器。內(nèi)部資源豐富僅需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的外圍元件即可以組成一個(gè)完整的電路。

    MAX19712是超低功耗、高集成度的混合信號(hào)模擬前端(AFE),內(nèi)置10位數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),全雙工工作模式,最大工作速度22 MHz,使用SPI接口配置寄存器。

    考慮到平臺(tái)功能的擴(kuò)展性,基帶數(shù)據(jù)接口按照高速信號(hào)布線規(guī)則設(shè)計(jì)[7],以滿(mǎn)足其他高速信號(hào)基帶的驗(yàn)證需求。

1.2 電源管理電路

    由于線性穩(wěn)壓器(LDO)效率低、發(fā)熱大、不符合體域網(wǎng)低功耗特點(diǎn),本文選擇使用開(kāi)關(guān)電源(DCDC)進(jìn)行電源管理。系統(tǒng)前端使用9 V適配器供電,兩款集成DCDC芯片產(chǎn)生3.3 V和2.85 V電壓,分別為MAX2837和MAX19712供電。圖3為電源結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。

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2 驗(yàn)證需求分析

    針對(duì)體域網(wǎng)基帶在可穿戴式設(shè)備的健康監(jiān)測(cè)、疾病預(yù)防等方面的特殊應(yīng)用,提出以下驗(yàn)證需求。

2.1 協(xié)議一致性驗(yàn)證

    根據(jù)ISO/OSI-IEEE802參考模型,節(jié)點(diǎn)間的通信過(guò)程即為PHY幀及MAC幀的交換傳遞過(guò)程。確保協(xié)議幀格式的一致是基帶驗(yàn)證的基本需求。

    (1)物理層協(xié)議幀

    物理層協(xié)議幀由物理層匯聚協(xié)議(PLCP)前導(dǎo)碼、PLCP幀頭和數(shù)據(jù)單元組成。

    前導(dǎo)碼用于接收機(jī)進(jìn)行同步定時(shí)和載波偏移恢復(fù)。PLCP幀頭則包括能夠成功譯碼的必要信息,如圖4所示。

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    (2)MAC層協(xié)議幀

    MAC層幀由幀頭、可變長(zhǎng)度幀體及幀尾校驗(yàn)碼組成。幀頭包含了控制和地址信息,幀體為所負(fù)載數(shù)據(jù),幀尾為16位的CRC校驗(yàn)序列。

2.2 傳輸可靠性驗(yàn)證

    高可靠性的收發(fā)鏈路是體域網(wǎng)基帶驗(yàn)證的基礎(chǔ),體域網(wǎng)可穿戴設(shè)備的健康醫(yī)療的特殊性也對(duì)收發(fā)可靠性提出了較高的要求。通過(guò)分析發(fā)送和接收的射頻信號(hào)和基帶信號(hào)在時(shí)域及頻域波形參數(shù),驗(yàn)證其是否符合IEEE802.15.6窄帶物理收發(fā)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 多種健康信息服務(wù)質(zhì)量驗(yàn)證ck-b1.gif

    穿戴式體域網(wǎng)設(shè)備主要用于人體生理信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、傳輸,如體溫、血氧、計(jì)步、血壓、心率、心電等。不同信號(hào)需要不同的傳輸速率。表1列出了幾項(xiàng)常用的人體生理信號(hào)傳輸速率。

    驗(yàn)證平臺(tái)需要模擬出不同速率的數(shù)據(jù)流,對(duì)信號(hào)接收延時(shí)及成功收包率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得出基帶對(duì)多種信號(hào)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。

3 體域網(wǎng)數(shù)據(jù)流狀態(tài)機(jī)

    根據(jù)上述需求,本文針對(duì)體域網(wǎng)基帶SoC設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA的體域網(wǎng)數(shù)據(jù)流狀態(tài)機(jī)狀態(tài)機(jī),作為驗(yàn)證的綜合激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元,如圖5所示。

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4 上位機(jī)軟件

    為了顯示收發(fā)數(shù)據(jù)、確定參考時(shí)間,便于計(jì)算成功收包率及延時(shí),并對(duì)驗(yàn)證過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤,本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的上位機(jī)人機(jī)交互程序。圖6為軟件流程圖。

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5 結(jié)果與分析

5.1 傳輸可靠性驗(yàn)證 

    驗(yàn)證時(shí)發(fā)送固定的二進(jìn)制數(shù)序列“00001111000101-0111011”,測(cè)量信號(hào)時(shí)域及頻域信號(hào)參數(shù)。圖7為發(fā)送的射頻和基帶信號(hào),圖8為射頻信號(hào)的頻譜,圖9為載波的頻譜。接收端解調(diào)后的基帶信號(hào)如圖10所示,經(jīng)比較可知,信號(hào)與發(fā)送的一致。表2為具體收發(fā)性能參數(shù)。

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5.2 多種健康信息服務(wù)質(zhì)量驗(yàn)證

    在不同速率下發(fā)送長(zhǎng)度固定的100個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)。使用上位機(jī)對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)比較,得出成功收包率及延時(shí)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量計(jì)算平均值,得出表3結(jié)果。

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    結(jié)果表明數(shù)據(jù)發(fā)送速率越高,其成功收包率越低。接收延時(shí)隨著發(fā)送速率增加呈減小趨勢(shì),但變化不明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

    本文針對(duì)穿戴式健康SoC的設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套集成有硬件系統(tǒng)、含穿體域網(wǎng)數(shù)據(jù)流狀態(tài)機(jī)、支持IEEE802.15.6基帶信號(hào)信號(hào)采集的IP及上位機(jī)用于控制、跟蹤的測(cè)試軟件。該平臺(tái)針對(duì)自主開(kāi)發(fā)的IEEE802.15.6基帶信號(hào)處理IP核進(jìn)行了大量的測(cè)試驗(yàn)證,基本滿(mǎn)足了體域網(wǎng)基帶芯片的設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求。同時(shí)也可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他近距離無(wú)線通信芯片的設(shè)計(jì)驗(yàn)證應(yīng)用中。

參考文獻(xiàn)

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