給出了一種由FPGA實現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC控制器的設(shè)計方法,，采用自頂向下的方法設(shè)計各個模塊，并在QuartusII8.0完成了仿真,，該控制器主要支持IEEE802.15.4協(xié)議,。測試結(jié)果表明，該MAC控制器支持20～250 kbs數(shù)據(jù)傳輸速率,，適應(yīng)IEEE802.15.4協(xié)議要求,。
媒體訪問控制(Medium Access Control，MAC)協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間,。用于在傳感器節(jié)點間公平有效地共享通信媒介,。它完成載波偵聽多路訪問(CSMA/CA)的信道存取、協(xié)議格式成幀或解幀,、自動應(yīng)答,、系統(tǒng)多周期定時和幀校驗等功能。
不同傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有著不同MAC協(xié)議,，其中IEEE802.15.4是最具代表性的協(xié)議,。本文給出了用FPGA的控制邏輯來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC控制器的設(shè)計方法，并最終實現(xiàn)了符合IEEE802.15.4協(xié)議的控制器,。
1 總體設(shè)計方案
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器的FPGA設(shè)計包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC子層的FPGA設(shè)計,、MAC子層與上層協(xié)議的接口設(shè)計以及與物理層(PHY)的接口設(shè)計。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。
整個系統(tǒng)分為發(fā)送模塊,、接收模塊、CSMA/CA協(xié)處理器模塊,、PHY接口模塊和MCU接口模塊5個部分,。
發(fā)送模塊和接收模塊主要完成MAC幀的發(fā)送和接收功能，包括MAC幀的封裝和解包,，它直接提供了到外部物理層芯片(PHY)的串行接口,。
CSMA/CA協(xié)處理器是MAC的核心，控制接收和發(fā)送狀態(tài)機(jī)協(xié)調(diào)半雙工收發(fā)控制,，并且通過程序執(zhí)行的方式完成CSMA—CA算法,。
2 模塊實現(xiàn)
2.1 MAC發(fā)送模塊
發(fā)送模塊可將上層協(xié)議提供的數(shù)據(jù)封裝之后通過PHY接口發(fā)送給PHY。發(fā)送狀態(tài)機(jī)按照幀的格式將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,，分別在數(shù)據(jù)的前端添加前導(dǎo)序列和幀起始分隔符以及在數(shù)據(jù)的后端添加CRC校驗值,，封裝后的整個數(shù)據(jù)包以串行格式發(fā)送出去。
因此,，發(fā)送部分的功能包括前導(dǎo)序列和幀起始分隔符插入,、CRC計算、幀發(fā)送和自動應(yīng)答等功能,。
發(fā)送模塊包括發(fā)送FIFO(First In First Out)緩存器模塊(Tx_FIFO),、發(fā)送狀態(tài)機(jī)模塊(Tx_FSM)、自動應(yīng)答模塊(Tx_Ack),、發(fā)送計數(shù)器模塊(Tx_Counter)和CRC計算模塊(Tx_Crc)等5個子模塊,。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.1.1 發(fā)送狀態(tài)機(jī)Tx_FSM
Tx_FSM是整個發(fā)送模塊的狀態(tài)機(jī),，它是整個發(fā)送模塊的核心,，主要用于產(chǎn)生發(fā)送過程中各個模快的控制信號,。發(fā)送的狀態(tài)轉(zhuǎn)移,，如圖3所示。TxCSP_en是來自MAC控制部分CSMA/CA協(xié)處理器的發(fā)送狀態(tài)機(jī)控制信號,。當(dāng)TxCSP_en信號為高電平時,，啟動狀態(tài)機(jī)，開始幀的發(fā)送過程,。
(1)IDLE：初始狀態(tài),。當(dāng)發(fā)送狀態(tài)機(jī)上電復(fù)位或者成功接收到數(shù)據(jù)包時，進(jìn)入此狀態(tài),。如果收到TxCSP_en信號時,，開始數(shù)據(jù)發(fā)送過程，否則，保持此狀態(tài),。
(2)Tx_Preamble：發(fā)送前導(dǎo)序列,。當(dāng)狀態(tài)機(jī)將跳變到此狀態(tài)，開始向數(shù)據(jù)線上發(fā)送符合特定組合的前導(dǎo)碼序列,。IEEE802.15.4協(xié)議的幀格式的前導(dǎo)序列是4 Byte O,。
(3)Tx_SFD：發(fā)送幀起始分隔符。在這個狀態(tài)下開始發(fā)送幀的幀起始符,，IEEE802.15.4協(xié)議的幀格式的幀起始符為10100111,。同時啟動計數(shù)器，對該過程進(jìn)行計數(shù),。
(4)Tx_Data：發(fā)送數(shù)據(jù)幀MPDU部分,。這個狀態(tài)下發(fā)送幀的有效數(shù)據(jù)，這個有效數(shù)據(jù)是來自上層,。當(dāng)發(fā)送完8位有效數(shù)據(jù)后,，便產(chǎn)生讀取FIFO緩存信號，從接收FIFO讀取1Byte數(shù)據(jù),。
(5)Tx_Crc：發(fā)送數(shù)據(jù)包的CRC校驗位,。在這個狀態(tài)下，發(fā)送幀的16位CRC校驗碼,。
(6)Tx_Ack：發(fā)送應(yīng)答狀態(tài),。如果接收到的幀有應(yīng)答要求，則啟動該狀態(tài),。
2.1.2 CRC校驗電路
通過使用16位CRC串行校驗來進(jìn)行幀的差錯校驗,，其中校驗多項式采用。將要傳送幀的MPDU通過CRC校驗?zāi)K,，便產(chǎn)生了16位CRC校驗碼,。16位串行CRC校驗電路如圖4所示。
2.1.3 發(fā)送模塊的仿真結(jié)果
圖5是發(fā)送模塊的仿真結(jié)果,，Tx_clk是來自PHY接口的發(fā)送時鐘,，s_out是幀以串行方式發(fā)送。最先發(fā)送的前導(dǎo)序列碼,，接下來幀起始分隔符,，再就是數(shù)據(jù)位，最后是CRC檢驗位,。
2.2 MAC接收模塊
接收模塊的主要功能：接收并識別從串行數(shù)據(jù)線上輸入的符合IEEE802.15.4協(xié)議格式的幀,。如果協(xié)處理器RxCSP_en信號有效，則啟動數(shù)據(jù)接收過程,。通過接收狀態(tài)機(jī)的控制,，按幀格式順序接收不同的數(shù)據(jù)域,。當(dāng)接收到1Byte數(shù)據(jù)后，且Rx_fifowrite信號有效時,，數(shù)據(jù)被寫入到接收緩存RxFIFO中,。
接收狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生整個接收過程所需要的控制信號，在控制信號的作用下將接收到的幀存儲到RxFIFO,。接收部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖6所示,。
(1)IDIE：初始狀態(tài)。當(dāng)接收狀態(tài)機(jī)上電復(fù)位或者成功接收到幀時,，進(jìn)入到此狀態(tài),。收到RxCSP_en信號時,，開始數(shù)據(jù)接收過程,。
(2)Rx_Preamhle：接收前導(dǎo)序列。啟動序列檢測器,，開始檢測數(shù)據(jù)線上符合IEEE802.15.4協(xié)議的序列,。
(3)Rx_Length：接收數(shù)據(jù)幀長度。在這個狀態(tài)下,，開始接收數(shù)據(jù)的長度,，同時存入計數(shù)器寄存器。
(4)Rx_MPDU：接收數(shù)據(jù)幀MPDU部分,。這個狀態(tài)下,，接收幀的有效數(shù)據(jù)。每接收到1Byte有效數(shù)據(jù)后,，便產(chǎn)生接收FIFO緩存寫信號,，同時將數(shù)據(jù)寫入到接收FIFO。如果接收數(shù)據(jù)CRC校驗有誤或者接收過程中發(fā)生堵塞現(xiàn)象,，則狀態(tài)機(jī)退回到初始狀態(tài),。
(5)Rx_CRC_CHECK：接收CRC校驗。接收數(shù)據(jù)包的CRC校驗碼,，同時啟動CRC校驗的過程,。
(6)Rx_RSSI_PAD：幀末尾RSSI值填充。計算RSSI強(qiáng)度值,，并附著CRC校驗結(jié)果,，將該字節(jié)填入接收FIFO。
(7)Rx_CRC_PAD：CRC狀態(tài)和Correlation值填充,。
2.3 CSMN/CA協(xié)處理器模塊
CSMA/CA協(xié)處理器是MAC控制器設(shè)計中的核心模塊,。協(xié)處理器主要包括指令寄存器、4個輔助寄存器以及控制信號產(chǎn)生模塊,。通過指令寄存器,、4個輔助寄存器與系統(tǒng)CPU接口的功能。同時，控制信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生MAC控制器發(fā)送和接收模塊所需要的控制信號,。
MAC控制器包括4種工作狀態(tài)：
(1)睡眠狀態(tài)：在該狀態(tài)下,，除協(xié)處理器模塊外，所有子模塊的時鐘都將停止,，從而降低功耗,。只有當(dāng)協(xié)處理器執(zhí)行發(fā)送使能指令或接收使能指令時，才離開睡眠狀態(tài),。
(2)發(fā)送狀態(tài)：當(dāng)協(xié)處理器執(zhí)行發(fā)送使能指令時,，進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。如果一幀發(fā)送完成,，則自動轉(zhuǎn)入接收狀態(tài),。
(3)接收狀態(tài)：當(dāng)協(xié)處理器執(zhí)行接收使能指令時，進(jìn)入接收狀態(tài),。因為接收狀態(tài)是主要的工作狀態(tài),，所以在成功接收完一幀或幀校驗失敗后依然處于接收狀態(tài)。
(4)發(fā)送應(yīng)答幀狀態(tài)：當(dāng)協(xié)處理器執(zhí)行應(yīng)答指令時,，進(jìn)入到此狀態(tài),。
無論在那種狀態(tài)，一旦執(zhí)行了休眠指令,，控制器立即進(jìn)入睡眠狀態(tài),。
2.4 接口模塊
接口模塊分為和系統(tǒng)MCU的特殊功能寄存器接口以及和與物理層芯片的物理接口。MCU要想控制MAC控制器的運(yùn)行,，就必須采用一種接口與它進(jìn)行通信,，本文采用SPI接口。
SPI(Serial Peripheral Interface)是一種串行外圍設(shè)備接口,，是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的,。
優(yōu)點如下：第一，它是一種高速的,，全雙工,，同步的通信總線；第二,，它只占用4根線,，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間,。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM,，F(xiàn)lash，實時時鐘,，A/D轉(zhuǎn)換器,，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間,。
SPI的通信原理：它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設(shè)備,，一個或多個從設(shè)備,，需要至少4根線。
(1)SEL：從設(shè)備使能信號,，由主設(shè)備控制,。
(2)MOSI：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入,。
(3)MISO：主設(shè)備輸入,，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出。
(4)SCLK：時鐘信號,，由主設(shè)備產(chǎn)生,。
其中，SEL是控制芯片是否被選中,，也就是說只有片選信號為預(yù)先規(guī)定的使能信號時,，對此芯片的操作才有效,。這就允許在同一總線上連接多個SPI設(shè)備成為可能,。由SCLK提供時鐘脈沖，MOSI和MISO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸,。
數(shù)據(jù)輸出通過MOSI,，MISO線，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時改變,，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取,，完成一位數(shù)據(jù)傳輸。輸入也使用同樣的原理,。這樣,，在至少8次時鐘信號改變內(nèi)，就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸,。MAC控制器采取的是上升沿接收,、下降沿發(fā)送、高位先發(fā)送,。
3 綜合結(jié)果
本設(shè)計采用Verilog語言,，F(xiàn)PGA芯片使用Altera公司的Cyclone，整個設(shè)計都是在Altera公司的Quartus8.0下進(jìn)行綜合,、布局布線以及仿真,。表1是綜合結(jié)果。
4 結(jié)束語
本文給出了完全用FPGA實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC控制器的設(shè)計方法,，該方法只需外接物理層芯片和MCU便可完成網(wǎng)絡(luò)功能,。從而有效降低了成本,，減少了版面積，提高了整個系統(tǒng)的集成度,。