《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層通信芯片設(shè)計
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
白運福，謝艷冬，傅興華
貴州大學 大數(shù)據(jù)與信息工程學院，貴州 貴陽550025
摘要： 提出了應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的MAC層通信芯片的ASIC設(shè)計方案，基于IEEE 802.15.4競爭型MAC協(xié)議，設(shè)計了內(nèi)嵌CSMA-CA算法控制器的MAC 收發(fā)模塊以及8位RISC CPU，MAC 收發(fā)模塊的協(xié)處理器可以與RISC CPU進行數(shù)據(jù)交互。
中圖分類號： TN43
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2015)05-0057-03
Design of wireless sensor network MAC layer communication chip
Bai Yunfu，Xie Yandong，F(xiàn)u Xinghua
College of Big Data and Information Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025，China
Abstract： This paper puts forward a ASIC design scheme of MAC layer communication chip, designs a MAC chip including a CSMA-CA algorithm controller embedded in a MAC transceiver chip module based on the competitive IEEE 802.15.4 MAC protocol and a 8 bit RISC CPU, on which the MAC transceiver chip module can exchange date with the RISC CPU. Based on the ASIC flow, this paper completes the chip design of architecture, RTL coding, verification, synthesis and physical design, and also generate the final chip layout by Encounter software.
Key words : wireless sensor network；MAC；ASIC；IEEE 802.15.4；CSMA-CA

    

0 引言

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是結(jié)合了傳感器應(yīng)用、無線局域網(wǎng)、大數(shù)據(jù)快速處理等技術(shù)的新興無線信息網(wǎng)絡(luò)，基于某種特定的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，快速建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)[1]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用價值和芯片設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專屬控制芯片設(shè)計的研究應(yīng)運而生。

    IEEE 802.15.4 是一種低功耗低速率的無線局域網(wǎng)協(xié)議，定義了物理層（PHY層）和介質(zhì)訪問控制層（MAC層）。MAC層主要是為上層訪問信道提供服務(wù)接口，并且通過SAP控制PHY層的無線數(shù)據(jù)收發(fā)[2]。本文基于IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層的ASIC設(shè)計方案。

    本文的芯片設(shè)計能基本實現(xiàn)MAC層協(xié)議的功能，設(shè)計了內(nèi)嵌CSMA-CA算法控制器的MAC收發(fā)部分和8位RISC CPU。M收發(fā)芯片部分可以和RISC CPU進行數(shù)據(jù)交互，其內(nèi)嵌的CSMA-CA算法控制器實現(xiàn)競爭信道機制組建無線網(wǎng)絡(luò)，單獨的CPU設(shè)計可以更好地實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理功能。

1 芯片整體設(shè)計方案

    芯片整體設(shè)計框架如圖1所示，整個芯片從功能上分為五部分：發(fā)送部分、接收部分、精簡指令CPU、協(xié)調(diào)器和SPI接口。協(xié)調(diào)器使能控制發(fā)送狀態(tài)機和接收狀態(tài)機，通過協(xié)調(diào)器指令集運行CSMA-CA算法，實現(xiàn)信道競爭訪問機制。CPU基于哈佛架構(gòu)的RISC精簡指令集設(shè)計，可通過SPI總線進行數(shù)據(jù)交互。

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    數(shù)據(jù)發(fā)送部分主要包括發(fā)送狀態(tài)機、發(fā)送FIFO、發(fā)送數(shù)據(jù)仲裁、CRC校驗計算、發(fā)送計數(shù)等，數(shù)據(jù)發(fā)送時需要建立符合IEEE 802.15.4 協(xié)議格式的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送數(shù)據(jù)仲裁避免發(fā)送數(shù)據(jù)沖突[3]。

    數(shù)據(jù)接收部分主要包括接收狀態(tài)機、地址比較器、接收計數(shù)器、幀解析、幀起始檢測、接收FIFO、接收數(shù)據(jù)通路、CRC校驗。協(xié)調(diào)器發(fā)送接收使能給接收狀態(tài)機，地址比較器、接收計數(shù)器、幀起始檢測、接收幀解析等功能模塊協(xié)調(diào)作用，根據(jù)協(xié)議格式順序存入接收FIFO[4]。

2 邏輯設(shè)計與仿真

2.1 RISC CPU邏輯設(shè)計

    考慮芯片設(shè)計成本和設(shè)計周期，本文的CPU采用簡單的總線架構(gòu)，控制器指令和數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)都是從總線獲得?；?位數(shù)據(jù)線和12位地址線獨立分離的哈佛架構(gòu)，數(shù)據(jù)線和地址線獨立運行簡化了芯片邏輯結(jié)構(gòu)。CPU設(shè)計主要包括ALU算術(shù)邏輯單元、存儲器、指令譯碼器、寄存器等子模塊，指令集包括九條基本運算指令。本文使用Mentor公司的ModelSim軟件進行仿真驗證，圖2為RISC CPU頂層仿真波形。

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2.2 MAC層邏輯設(shè)計

    本文的MAC層設(shè)計主要包括發(fā)送部分、接收部分和協(xié)調(diào)器。發(fā)送部分的功能是將上層提供的數(shù)據(jù)進行封裝之后通過 PHY 芯片發(fā)送，封裝是按照物理層的幀格式進行的，包括前導序列碼、起始分隔符、幀長度、有效負載[5]。發(fā)送模塊的核心設(shè)計是發(fā)送狀態(tài)機，用來產(chǎn)生發(fā)送過程各子模塊的控制信號，發(fā)送狀態(tài)機的狀態(tài)流程圖如圖3所示。

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    接收部分的主要功能是完成接收來自PHY芯片的數(shù)據(jù)包，并對數(shù)據(jù)包進行解包，包括前導碼序列和幀起始分隔符的檢測、地址解析、CRC 校驗以及將物理層的數(shù)據(jù)負載部分存儲在FIFO[6]。接收部分從邏輯上分析是發(fā)送部分的逆過程，接收發(fā)送狀態(tài)機的狀態(tài)流程圖如圖4所示。

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    協(xié)調(diào)器是MAC層通信的大腦，通過使能控制MAC數(shù)據(jù)收發(fā)，內(nèi)嵌CSMA-CA算法控制器實現(xiàn)競爭信道訪問。由于本芯片單獨設(shè)計了CPU，協(xié)調(diào)器主要包括單獨存儲協(xié)調(diào)器指令集的指令存儲器、MAC計時器和產(chǎn)生控制信號的CSMA-CA算法控制器。協(xié)調(diào)器指令集只實現(xiàn)CSMA-CA算法，與CPU的指令存儲器控制CPU讀寫不同。

3 芯片ASIC設(shè)計流程

    ASIC是專用集成電路的簡稱，是當今流行的一種根據(jù)特殊市場需求定制設(shè)計的芯片設(shè)計技術(shù)。ASIC設(shè)計流程包括前端設(shè)計和后端設(shè)計兩個重要階段，前端設(shè)計主要包括RTL代碼的編寫、仿真、綜合以及靜態(tài)時序分析，后端設(shè)計主要是把前端綜合產(chǎn)生的門級網(wǎng)表實現(xiàn)成物理版圖，并驗證版圖是否滿足時序收斂和設(shè)計規(guī)則要求。本芯片基于ASIC設(shè)計流程，完成了架構(gòu)設(shè)計、RTL coding、驗證、綜合、物理設(shè)計，并通過Encounter 生成了物理版圖。

3.1 綜合

    綜合是芯片設(shè)計的重要步驟，是連接前端設(shè)計和后端設(shè)計的重要橋梁。本設(shè)計采用中芯國際0.13 μm CMOS工藝庫，利用綜合工具Synopsys的DC把RTL代碼綜合成門級網(wǎng)表，門級網(wǎng)表是后端設(shè)計所需要的源文件。DC首先讀入工藝庫lib、SDC約束腳本等文件，然后進行綜合優(yōu)化生成門級網(wǎng)表。

3.2 MAC層邏輯設(shè)計

    綜合生成物理設(shè)計所需要的門級網(wǎng)表后，使用物理設(shè)計軟件Encounter進行芯片后端設(shè)計。后端物理設(shè)計主要包括布圖規(guī)劃與布局、電源規(guī)劃、插入時鐘樹、布線等。電源規(guī)劃對于芯片后端設(shè)計至關(guān)重要，良好的電源規(guī)劃可以為整塊芯片提供一個均勻的供電網(wǎng)格。本芯片的局部電源網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，VDD和VSS均勻地分布在芯片內(nèi)部。

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    時鐘是芯片設(shè)計的核心，一個好的時鐘樹決定了芯片時序收斂的難易程度和工作性能。布圖規(guī)劃與布局結(jié)束后即可進行時鐘樹（clock tree）插入，插入時鐘樹的目的是使芯片所有邏輯單元接收到的時鐘信號時間一致，時序基本不存在偏差。芯片時鐘樹分布圖如圖6所示。

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4 結(jié)論

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新一代智能無線網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)在智能家居、醫(yī)療、煤礦、國防等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本文提出了基于IEEE 802.15.4協(xié)議的MAC層通信芯片的ASIC設(shè)計方案，本方案低功耗且功能完備，具有科研與應(yīng)用雙重價值。

參考文獻

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[3] Zhang Ming，Wang Suoping.An novel energy-efficient MAC protocol based on collision aviodance for wireless sensor networks[C].Proceeding of the 2009 5th International Conference on Wireless Communications，2009，4.

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[5] Tong Jigang，Zhang Zhenxin，Chen Zengqiang，et al.Design of node with FPGA in the wireless sensor network[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2009，22(3)：417-421.

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