0 引言

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是結(jié)合了傳感器應(yīng)用、無(wú)線局域網(wǎng)、大數(shù)據(jù)快速處理等技術(shù)的新興無(wú)線信息網(wǎng)絡(luò)，基于某種特定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，快速建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)^[1]。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用價(jià)值和芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)屬控制芯片設(shè)計(jì)的研究應(yīng)運(yùn)而生。

    IEEE 802.15.4 是一種低功耗低速率的無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議，定義了物理層（PHY層）和介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC層）。MAC層主要是為上層訪問(wèn)信道提供服務(wù)接口，并且通過(guò)SAP控制PHY層的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)^[2]。本文基于IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議，提出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層的ASIC設(shè)計(jì)方案。

    本文的芯片設(shè)計(jì)能基本實(shí)現(xiàn)MAC層協(xié)議的功能，設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌CSMA-CA算法控制器的MAC收發(fā)部分和8位RISC CPU。M收發(fā)芯片部分可以和RISC CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其內(nèi)嵌的CSMA-CA算法控制器實(shí)現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)信道機(jī)制組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，單獨(dú)的CPU設(shè)計(jì)可以更好地實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理功能。

1 芯片整體設(shè)計(jì)方案

    芯片整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示，整個(gè)芯片從功能上分為五部分：發(fā)送部分、接收部分、精簡(jiǎn)指令CPU、協(xié)調(diào)器和SPI接口。協(xié)調(diào)器使能控制發(fā)送狀態(tài)機(jī)和接收狀態(tài)機(jī)，通過(guò)協(xié)調(diào)器指令集運(yùn)行CSMA-CA算法，實(shí)現(xiàn)信道競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)機(jī)制。CPU基于哈佛架構(gòu)的RISC精簡(jiǎn)指令集設(shè)計(jì)，可通過(guò)SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

    數(shù)據(jù)發(fā)送部分主要包括發(fā)送狀態(tài)機(jī)、發(fā)送FIFO、發(fā)送數(shù)據(jù)仲裁、CRC校驗(yàn)計(jì)算、發(fā)送計(jì)數(shù)等，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)需要建立符合IEEE 802.15.4 協(xié)議格式的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送數(shù)據(jù)仲裁避免發(fā)送數(shù)據(jù)沖突^[3]。

    數(shù)據(jù)接收部分主要包括接收狀態(tài)機(jī)、地址比較器、接收計(jì)數(shù)器、幀解析、幀起始檢測(cè)、接收FIFO、接收數(shù)據(jù)通路、CRC校驗(yàn)。協(xié)調(diào)器發(fā)送接收使能給接收狀態(tài)機(jī)，地址比較器、接收計(jì)數(shù)器、幀起始檢測(cè)、接收幀解析等功能模塊協(xié)調(diào)作用，根據(jù)協(xié)議格式順序存入接收FIFO[4]。

2 邏輯設(shè)計(jì)與仿真

2.1 RISC CPU邏輯設(shè)計(jì)

    考慮芯片設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)周期，本文的CPU采用簡(jiǎn)單的總線架構(gòu)，控制器指令和數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)都是從總線獲得?；?位數(shù)據(jù)線和12位地址線獨(dú)立分離的哈佛架構(gòu)，數(shù)據(jù)線和地址線獨(dú)立運(yùn)行簡(jiǎn)化了芯片邏輯結(jié)構(gòu)。CPU設(shè)計(jì)主要包括ALU算術(shù)邏輯單元、存儲(chǔ)器、指令譯碼器、寄存器等子模塊，指令集包括九條基本運(yùn)算指令。本文使用Mentor公司的ModelSim軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，圖2為RISC CPU頂層仿真波形。

2.2 MAC層邏輯設(shè)計(jì)

    本文的MAC層設(shè)計(jì)主要包括發(fā)送部分、接收部分和協(xié)調(diào)器。發(fā)送部分的功能是將上層提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝之后通過(guò) PHY 芯片發(fā)送，封裝是按照物理層的幀格式進(jìn)行的，包括前導(dǎo)序列碼、起始分隔符、幀長(zhǎng)度、有效負(fù)載^[5]。發(fā)送模塊的核心設(shè)計(jì)是發(fā)送狀態(tài)機(jī)，用來(lái)產(chǎn)生發(fā)送過(guò)程各子模塊的控制信號(hào)，發(fā)送狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)流程圖如圖3所示。

    接收部分的主要功能是完成接收來(lái)自PHY芯片的數(shù)據(jù)包，并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包，包括前導(dǎo)碼序列和幀起始分隔符的檢測(cè)、地址解析、CRC 校驗(yàn)以及將物理層的數(shù)據(jù)負(fù)載部分存儲(chǔ)在FIFO^[6]。接收部分從邏輯上分析是發(fā)送部分的逆過(guò)程，接收發(fā)送狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)流程圖如圖4所示。

    協(xié)調(diào)器是MAC層通信的大腦，通過(guò)使能控制MAC數(shù)據(jù)收發(fā)，內(nèi)嵌CSMA-CA算法控制器實(shí)現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)信道訪問(wèn)。由于本芯片單獨(dú)設(shè)計(jì)了CPU，協(xié)調(diào)器主要包括單獨(dú)存儲(chǔ)協(xié)調(diào)器指令集的指令存儲(chǔ)器、MAC計(jì)時(shí)器和產(chǎn)生控制信號(hào)的CSMA-CA算法控制器。協(xié)調(diào)器指令集只實(shí)現(xiàn)CSMA-CA算法，與CPU的指令存儲(chǔ)器控制CPU讀寫(xiě)不同。

3 芯片ASIC設(shè)計(jì)流程

    ASIC是專(zhuān)用集成電路的簡(jiǎn)稱(chēng)，是當(dāng)今流行的一種根據(jù)特殊市場(chǎng)需求定制設(shè)計(jì)的芯片設(shè)計(jì)技術(shù)。ASIC設(shè)計(jì)流程包括前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)兩個(gè)重要階段，前端設(shè)計(jì)主要包括RTL代碼的編寫(xiě)、仿真、綜合以及靜態(tài)時(shí)序分析，后端設(shè)計(jì)主要是把前端綜合產(chǎn)生的門(mén)級(jí)網(wǎng)表實(shí)現(xiàn)成物理版圖，并驗(yàn)證版圖是否滿(mǎn)足時(shí)序收斂和設(shè)計(jì)規(guī)則要求。本芯片基于ASIC設(shè)計(jì)流程，完成了架構(gòu)設(shè)計(jì)、RTL coding、驗(yàn)證、綜合、物理設(shè)計(jì)，并通過(guò)Encounter 生成了物理版圖。

3.1 綜合

    綜合是芯片設(shè)計(jì)的重要步驟，是連接前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)的重要橋梁。本設(shè)計(jì)采用中芯國(guó)際0.13 μm CMOS工藝庫(kù)，利用綜合工具Synopsys的DC把RTL代碼綜合成門(mén)級(jí)網(wǎng)表，門(mén)級(jí)網(wǎng)表是后端設(shè)計(jì)所需要的源文件。DC首先讀入工藝庫(kù)lib、SDC約束腳本等文件，然后進(jìn)行綜合優(yōu)化生成門(mén)級(jí)網(wǎng)表。

3.2 MAC層邏輯設(shè)計(jì)

    綜合生成物理設(shè)計(jì)所需要的門(mén)級(jí)網(wǎng)表后，使用物理設(shè)計(jì)軟件Encounter進(jìn)行芯片后端設(shè)計(jì)。后端物理設(shè)計(jì)主要包括布圖規(guī)劃與布局、電源規(guī)劃、插入時(shí)鐘樹(shù)、布線等。電源規(guī)劃對(duì)于芯片后端設(shè)計(jì)至關(guān)重要，良好的電源規(guī)劃可以為整塊芯片提供一個(gè)均勻的供電網(wǎng)格。本芯片的局部電源網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，VDD和VSS均勻地分布在芯片內(nèi)部。

    時(shí)鐘是芯片設(shè)計(jì)的核心，一個(gè)好的時(shí)鐘樹(shù)決定了芯片時(shí)序收斂的難易程度和工作性能。布圖規(guī)劃與布局結(jié)束后即可進(jìn)行時(shí)鐘樹(shù)（clock tree）插入，插入時(shí)鐘樹(shù)的目的是使芯片所有邏輯單元接收到的時(shí)鐘信號(hào)時(shí)間一致，時(shí)序基本不存在偏差。芯片時(shí)鐘樹(shù)分布圖如圖6所示。

4 結(jié)論

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新一代智能無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)在智能家居、醫(yī)療、煤礦、國(guó)防等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本文提出了基于IEEE 802.15.4協(xié)議的MAC層通信芯片的ASIC設(shè)計(jì)方案，本方案低功耗且功能完備，具有科研與應(yīng)用雙重價(jià)值。

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