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(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC控制器的設(shè)計(jì)方法，并最終實(shí)現(xiàn)了符合IEEE802.15.4協(xié)議的控制器,。
1 總體設(shè)計(jì)方案
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器的FPGA設(shè)計(jì)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC子層的FPGA設(shè)計(jì),、MAC子層與上層協(xié)議的接口設(shè)計(jì)以及與物理層(PHY)的接口設(shè)計(jì)。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示,。整個(gè)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(gè)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(shí)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(yàn)值,，封裝后的整個(gè)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(jì)算,、幀發(fā)送和自動(dòng)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(dòng)應(yīng)答模塊(Tx_Ack),、發(fā)送計(jì)數(shù)器模塊(Tx_Counter)和CRC計(jì)算模塊(Tx_Crc)等5個(gè)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(gè)發(fā)送模塊的狀態(tài)機(jī),，它是整個(gè)發(fā)送模塊的核心，主要用于產(chǎn)生發(fā)送過程中各個(gè)模快的控制信號(hào),。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(hào),。當(dāng)TxCSP_en信號(hào)為高電平時(shí),，啟動(dòng)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(shí)，進(jìn)入此狀態(tài),。如果收到TxCSP_en信號(hào)時(shí),，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(gè)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(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器,，對(duì)該過程進(jìn)行計(jì)數(shù),。
(4)Tx_Data：發(fā)送數(shù)據(jù)幀MPDU部分。這個(gè)狀態(tài)下發(fā)送幀的有效數(shù)據(jù),，這個(gè)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(hào),，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(yàn)位。在這個(gè)狀態(tài)下,，發(fā)送幀的16位CRC校驗(yàn)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(dòng)該狀態(tài),。
2.1.2 CRC校驗(yàn)電路
通過使用16位CRC串行校驗(yàn)來進(jìn)行幀的差錯(cuò)校驗(yàn)，其中校驗(yàn)多項(xiàng)式采用,。將要傳送幀的MPDU通過CRC校驗(yàn)?zāi)K,，便產(chǎn)生了16位CRC校驗(yàn)碼,。16位串行CRC校驗(yàn)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(shí)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(yàn)位,。
2.2 MAC接收模塊
接收模塊的主要功能：接收并識(shí)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(hào)有效，則啟動(dòng)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(hào)有效時(shí),，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(gè)接收過程所需要的控制信號(hào),，在控制信號(hào)的作用下將接收到的幀存儲(chǔ)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(shí),，進(jìn)入到此狀態(tài)。收到RxCSP_en信號(hào)時(shí),，開始數(shù)據(jù)接收過程,。
(2)Rx_Preamhle：接收前導(dǎo)序列。啟動(dòng)序列檢測(cè)器,，開始檢測(cè)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(zhǎng)度。在這個(gè)狀態(tài)下,，開始接收數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度,，同時(shí)存入計(jì)數(shù)器寄存器。
(4)Rx_MPDU：接收數(shù)據(jù)幀MPDU部分,。這個(gè)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(hào)，同時(shí)將數(shù)據(jù)寫入到接收FIFO,。如果接收數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)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(yàn)。接收數(shù)據(jù)包的CRC校驗(yàn)碼,，同時(shí)啟動(dòng)CRC校驗(yàn)的過程,。
(6)Rx_RSSI_PAD：幀末尾RSSI值填充。計(jì)算RSSI強(qiáng)度值,，并附著CRC校驗(yàn)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(jì)中的核心模塊,。協(xié)處理器主要包括指令寄存器、4個(gè)輔助寄存器以及控制信號(hào)產(chǎn)生模塊,。通過指令寄存器,、4個(gè)輔助寄存器與系統(tǒng)CPU接口的功能。同時(shí),，控制信號(hào)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(hào),。
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(shí)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(shí),，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(shí)，進(jìn)入發(fā)送狀態(tài),。如果一幀發(fā)送完成,，則自動(dòng)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(shí),，進(jìn)入接收狀態(tài),。因?yàn)榻邮諣顟B(tài)是主要的工作狀態(tài)，所以在成功接收完一幀或幀校驗(yàn)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(shí),，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(diǎn)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(shí)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(shí)時(shí)時(shí)鐘,，A/D轉(zhuǎn)換器,，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)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(gè)主設(shè)備,，一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線,。
(1)SEL：從設(shè)備使能信號(hào),，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(shí)鐘信號(hào),，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(hào)為預(yù)先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí)，對(duì)此芯片的操作才有效,。這就允許在同一總線上連接多個(gè)SPI設(shè)備成為可能,。由SCLK提供時(shí)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(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)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(shí)鐘信號(hào)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(jì)采用Verilog語言,，F(xiàn)PGA芯片使用Altera公司的Cyclone，整個(gè)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC控制器的設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的集成度,。