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无线传感网节点的低功耗设计

王珏  
【摘要】:无线传感器网络是一种不需提前建立基础设施的用来采集数据的自组织网络,它有着非常广阔的应用空间。传感器网络节点是传感器网络的重要组成部分,而在节点的硬件设计中,功耗是其最重要的性能指标之一,降低功耗对于延长无线传感器网络的寿命是极为重要的。 首先,论文中设计并实现了一种新型结构的传感器网络节点芯片。在该芯片中采用了低功耗处理器MC8051,加入多个硬件接口模块,并设计了专用的数据压缩硬件加速电路。论文中完成了整个芯片的前端设计、后端设计、流片和测试验证,芯片采用0.18um COMS技术,面积为1.5mm x 3mm。测试结果表明该芯片功能正确,运行功耗约为2.6mW,数据压缩硬件加速器与软件实现压缩相比降低了约98%的能耗。 其次,论文中对非挥发铁电存储技术进行了研究,对关键的器件铁电电容进行电路建模和仿真。在该模型的基础上设计了非挥发存储单元,将其应用到传感网节点中,大幅减少了节点的泄漏功耗。此外,为了从系统级的角度进一步降低传感网节点的功耗,设计实现了铁电非挥发寄存器逻辑电路。该技术可以使程序在恢复供电后紧接着断电前的状态继续执行,实现电路的瞬时恢复,节省了重新运行的时间和功耗。同时,对非挥发触发器电路进行改进,减少了约20%-60%的写寄存器次数,延长了铁电材料的使用寿命。 通过测试验证了本课题中的设计有效的减少了无线传感器网络节点的能量消耗,实现了低功耗无线传感网节点的设计。


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