基于FPGA無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC控制器的設(shè)計(jì)

摘要 給出了一種由FPGA實(shí)現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC控制器的設(shè)計(jì)方法，采用自頂向下的方法設(shè)計(jì)各個(gè)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 kb·s-1數(shù)據(jù)傳輸速率，適應(yīng)IEEE802．15．4協(xié)議要求。
關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；MAC；CSMA／CA

    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(diǎn)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(dòng)應(yīng)答、系統(tǒng)多周期定時(shí)和幀校驗(yàn)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(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)?？斓目刂菩盘?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1 Byte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1 Byte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(gè)狀態(tài)下，開始接收數(shù)據(jù)的長度，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1 Byte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。