无线传感器网络低功耗节点控制器芯片设计与实现

摘要

近年来，随着传感器技术、微机电系统技术、嵌入式系统技术、现代无线通信技术、网络技术、分布式处理技术等的发展，形成了无线传感器网络这一前沿交叉学科，它在军事、医疗、环境监测等领域具有很高的应用价值。 无线传感器网络利用分布于监测区域内的各终端节点进行原始信息数据的采集，然后通过自组织多跳路由网络传送至网关节点，最后通过多类型接口传送至网关计算机并接入其他通用网络，在远程的监控终端利用信息汇集与管理软件平台实现对监测范围内的事件监控。 在无线传感器网络中大量分布的节点是其主要组成部分，在现有各类节点设计中主要采用在嵌入式领域广泛应用的一些通用处理器单元作为控制核心，而没有针对无线传感器网络的应用开发专用的控制器芯片，这使得在节点设计中会受到体积、功耗等方面的限制，而在系统资源利用方面又难免会造成一些浪费，因此开展无线传感器网络专用低功耗节点控制器芯片的设计具有重要的研究意义和应用价值。 本文主要介绍了一种无线传感器网络低功耗节点控制器芯片的设计与实现，该芯片采用了8位哈佛体系结构，使用与ELAN公司：EM78系列MCU兼容的RISC指令集，利用仿真器平台及FPGA平台完成了节点系统构造，然后以SMIC 0.18微米CMOS工艺完成了ASIC设计。最后以它作为低功耗节点专用控制器实现了节点平台的搭建，构建了一个通用无线传感器网络。 本文首先对无线传感器网络及数字系统低功耗设计的基本理论进行了研究和讨论，接着基于上述理论进行了无线传感器网络节点的软硬件设计以及多个测试平台的实现，并重点讲述了低功耗节点控制器的RTL设计与实现，然后开展了该控制器的后端设计，给出了设计版图，最后利用FPGA平台对该节点控制器进行了验证及测试，给出了测试结果并进行了分析。实验分析及功能验证结果表明，该节点控制器满足系统功能需求，技术性能优良，达到设计目的。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图目录、表目录

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1无线传感器网络低功耗节点控制器研究目的与意义

1.2课题背景及主要工作

1.3本论文的内容与组织结构

第二章无线传感器网络基本理论

2.1无线传感器网络的概念

2.2无线传感器网络的特点

2.3无线传感器网络的应用

2.4无线传感器网络的体系结构

2.4.1系统体系结构

2.4.2协议体系结构

2.5无线传感器网络中的关键技术及研究热点

2.6无线传感器网络的能量管理

2.6.1从外部环境中收集能量

2.6.2无线传感器网络自身的节能措施

2.7本章小结

第三章数字系统的低功耗设计技术研究

3.1数字系统功耗来源

3.2系统级功耗优化技术

3.3 RTL级功耗优化技术

3.4版图级功耗优化技术

3.5本章小结

第四章无线传感器网络节点系统平台软硬件设计

4.1节点系统架构设计

4.2节点硬件平台设计

4.2.1主控母板设计

4.2.2主控子板设计

4.2.3射频子板设计

4.3节点软件系统设计

4.3.1系统内核

4.3.2硬件驱动和管理

4.3.3通讯协议栈

4.3.4传感数据采集

4.4本章小结

第五章低功耗节点控制器的RTL设计与实现

5.1低功耗节点控制器结构设计

5.2设计中的低功耗考虑

5.2.1 工作电压和频率

5.2.2电路规模

5.2.3时钟控制

5.3存储器组织及存储系统设计与实现

5.3.1存储器组织

5.3.2 CPU寄存器

5.3.3功能模块寄存器

5.4中断系统设计与实现

5.4.1中断系统组织

5.4.2中断源、中断向量与中断优先级

5.4.3结构设计与仿真

5.5低功耗CPU的RTL设计与实现

5.5.1 CPU指令系统及寻址方式

5.5.2 CPU流水结构设计

5.5.3指令译码器设计与实现

5.5.4算术逻辑单元ALU设计与实现

5.5.5堆栈系统设计与实现

5.6 CPU外围关键接口模块RTL设计与实现

5.6.1 WDT及TCC设计与实现

5.6.2定时/计数器CNT1和CNT2设计与实现

5.6.3 SPI模块设计与实现

5.6.4 UART模块设计与实现

5.6.5 I/O接口设计与实现

5.7本章小结

第六章低功耗节点控制器后端设计与实现

6.1 ASIC设计流程

6.2复位及时钟电路的设计与实现

6.3 RAM存储器的实现

6.4电源设计与实现

6.5节点控制器版图

6.6本章小结

第七章低功耗节点控制器功能验证与测试

7.1基于FPGA平台的验证与测试

7.1.1基于FPGA的验证平台及方案

7.1.2各模块的功能验证与测试

7.1.3基于FPGA平台的节点工作情况

7.2 ASIC芯片测试

7.2.1 ASIC芯片测试平台及方案

7.2.2 ASIC芯片功能及性能测试

7.3本章小结

第八章总结与展望

8.1总结

8.2未来展望

致谢

参考文献

个人简历、近年所从事的科研工作和研究成果