基于iSD的无线传感网移动网关设计与实现

论文摘要

移动传感网(Mobile Wireless Sensor Networks)是移动通信网和无线传感网相互融合的产物。两者的融合将给移动通信网带来新的应用和服务,并给无线传感网带来大量用户和不失灵活性的长距通信能力,是当前无线传感网领域的研究热点和应用方向。针对移动设备平台多样的特点,本文提出一种平台无关的硬件扩展方法,利用该方法设计实现了具有平台无关性的智能设备接口——iSD(Interface for Smart Device)接口,并基于该接口设计实现了移动设备直接接入无线传感网的装置,即无线传感网移动网关。iSD接口是无线传感网移动网关的基础。本文提出了iSD利用的平台无关硬件扩展方法,设计了iSD接口系统结构,并进行了初期的验证实验。作者先后设计实现了3个版本的无线传感网移动网关的电路板。本文详述了板级设计的方案选择、原理图设计以及布局布线要点。FPGA内的逻辑电路实现了无线传感网移动网关的核心功能。本文设计了iSD接口的整体结构、各模块及之间信号连接;自行设计了MISC处理器ZtCore,详述了其体系结构、指令集、工具链及性能评估与对比;设计了其他相关接口。为方便后续开发和第三方开发,本文介绍了当前设计实现所使用的FPGA开发工具、文件系统写入工具等,并自行设计实现了第三方开发工具,如集FPGA编程、接口调试和软核编程调试于一体的ZtProg编程器,iSD特殊寄存器生成程序,以及iSD调试所用的测试向量生成程序等。本文提出的硬件扩展方法和iSD技术不局限于无线传感网移动网关,适用于移动设备的各种功能扩展,具有很强的实用性。本文设计实现的ZtCore是指令长度最短的CPU软核之一,具有零执行时间浪费和零代码空间浪费的特点。本文设计实现的无线传感网移动网关能够实现移动设备直接接入无线传感网,为相关研究提供了硬件基础,并具有良好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景及动态
• 1.1.1 移动无线传感网
• 1.1.2 移动设备平台多样性问题
• 1.1.3 现有的基于SD 接口的无线传感网网关
• 1.2 研究内容及论文贡献
• 1.2.1 论文内容
• 1.2.2 论文贡献
• 1.3 各章内容简介
• 第2章 移动网关系统级设计
• 2.1 本章引言
• 2.2 基于文件系统的平台无关硬件扩展方法
• 2.2.1 研究意义
• 2.2.2 基于文件存取的平台无关硬件扩展
• 2.2.3 缓存穿越机制
• 2.2.4 方法验证
• 2.3 移动网关系统设计
• 2.3.1 系统框图
• 2.3.2 工作协作图
• 第3章 移动网关板级设计
• 3.1 本章引言
• 3.2 板级方案设计
• 3.2.1 主要元件选型
• 3.2.2 电路原理图
• 3.3 板图设计
• 3.3.1 布局布线要点
• 3.3.2 PCB 图
• 3.3.3 实物图
• 第4章 移动网关逻辑级设计实现
• 4.1 本章引言
• 4.2 SD 从机控制器
• 4.2.1 SD 接口标准介绍
• 4.2.2 SD 接口结构
• 4.2.3 SD 接口模块间信号意义
• 4.3 ZtCore
• 4.3.1 ZtCore 体系结构
• 4.3.2 ZtCore 指令集
• 4.3.3 ZtCore 工具链
• 4.3.4 性能分析与对比
• 4.4 其他模块
• 4.4.1 NAND Flash 接口
• 4.4.2 射频芯片接口
• 第5章 移动网关开发工具
• 5.1 本章引言
• 5.2 当前所用开发工具简介
• 5.2.1 FPGA 开发工具
• 5.2.2 文件系统操作工具
• 5.3 第三方开发工具
• 5.3.1 ZtProg 编程器
• 5.3.2 iSD 接口辅助设计程序
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果