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

(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，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(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(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，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，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(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，FPGA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。