无线传感器网络MAC控制器的FPGA设计与实现

论文摘要

自从“感知中国”这一概念的提出,物联网已经成为国家五大新兴战略性产业之一。无线传感器网络作为物联网最重要的组成部分,已经进入快速发展的阶段。无线传感器网络由大量的传感器节点组成,各节点在网络中不断地感知、采集和处理监控对象的信息,并将其通过网络传送给工作人员。由于MAC控制器是节点的核心部分,因此在无线传感器网络中对MAC控制器的研究是非常重要的。本文详细论述并在FPGA上实现了无线传感器网络节点的MAC控制器,主要做了以下一些工作:首先从总体上提出了基于IEEE 802.15.4协议MAC控制器的硬件实现方法。然后分析了IEEE 802.15.4协议,它规定了媒体访问控制层(MAC)和物理层(PHY)的详细功能。最后根据协议MAC层要完成的功能以及利用模块设计的思想提出了系统的设计方案。将MAC控制器分为数据发送模块、数据接收模块、控制模块以及接口模块。其中控制模块是核心部分,采用协处理器的设计思想来实现;数据发送模块负责主要完成帧的封装功能;数据接收模块主要完成解帧的功能;接口模块包括与MCU通信的接口以及PHY芯片接口。系统的整个设计流程都是在QuartusⅡ8.0中完成。仿真实验结果表明,每个模块都能达到所需要的效果,本控制器整体上能够完成MAC层的功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 主要工作及章节安排
• 第二章 FPGA技术及开发环境
• 2.1 可编程逻辑器件的分类
• 2.2 FPGA 的基本结构
• 2.3 FPGA 的设计流程
• 2.4 QuartusⅡ8.0 集成开发环境
• 第三章 IEEE 802.15.4协议分析
• 3.1 无线传感器网络MAC 协议概述
• 3.1.1 MAC 协议设计原则
• 3.1.2 MAC 协议分类
• 3.2 IEEE 802.15.4 协议分析
• 3.2.1 IEEE 802.15.4 协议的网络结构
• 3.2.2 IEEE 802.15.4 网络协议栈模型
• 3.2.3 IEEE 802.15.4 协议物理层分析
• 3.2.4 IEEE 802.15.4 协议MAC 层分析
• 第四章 MAC控制器的FPGA逻辑设计
• 4.1 系统设计方案
• 4.2 发送模块
• 4.2.1 发送模块的结构框图
• 4.2.2 发送状态机模块
• 4.2.3 CRC 校验模块
• 4.2.4 数据帧形成模块
• 4.2.5 FIFO 存储器模块
• 4.2.6 发送模块的元件符号
• 4.3 接收模块
• 4.3.1 接收模块的结构框图
• 4.3.2 接收状态机模块
• 4.3.3 地址解析模块
• 4.3.4 其他模块
• 4.4 CSMA/CA 协处理器模块
• 4.4.1 CSMA/CA 算法原理
• 4.4.2 CSMA/CA 协处理器实现
• 4.4.3 控制模块
• 4.5 SPI 总线模块
• 4.5.1 SPI 总线研究
• 4.5.2 SPI 实现
• 第五章 MAC控制器的仿真验证
• 5.1 模块功能仿真
• 5.1.2 测试方法
• 5.1.3 功能仿真结果
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果