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无线传感器网络低功耗节点控制器芯片设计与实现

周亮  
【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。


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