1. 引言

無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）集成了傳感器技術(shù)，嵌入式計算技術(shù)，無線網(wǎng)絡通信技術(shù)，分布式信息處理技術(shù)以及微機電技術(shù)，是當前的一個研究熱點。無線傳感器網(wǎng)絡可以在廣泛的應用領(lǐng) 域內(nèi)實現(xiàn)復雜的監(jiān)測和追蹤任務，是一種隨機分布的集成傳感器，數(shù)據(jù)處理單元和通信的微小節(jié)點，通過自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般包括傳感單元，嵌入式處理單元，無線通信單元以及電源自供電系統(tǒng)，定位系統(tǒng)等。作為一種特殊的Ad hoc，它除了動態(tài)拓撲，自組織，多跳路由，帶寬受限等，還具有其一個極為顯著的特征：對于能量的限制。所以，網(wǎng)絡節(jié)點具有低功耗，低成本和小體積的特點。

隨著IC制造工藝的迅速發(fā)展，片上系統(tǒng)（SOC）得到廣泛的應用。SOC把系統(tǒng)的處理機制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路及器件的設計緊密結(jié)合，在一塊芯片上完成了整個系統(tǒng)。它相對于傳統(tǒng)的多IC組成的電子系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)勢：低功耗、高可靠性（減少芯片對外管腳數(shù)，減少外圍驅(qū)動接口單元與電路板間的信號傳遞，內(nèi)嵌的線路可以避免系統(tǒng)干擾）、高集成度。
本文提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的SOC解決方案，分析了無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)，并從系統(tǒng)級，結(jié)構(gòu)級，RTL級及物理設計幾個方面闡述了無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點芯片的低功耗設計。

2. SOC片上系統(tǒng)及VLSI低功耗實現(xiàn)

隨著IC制造工藝的迅速發(fā)展，片上系統(tǒng)（SOC）得到廣泛的應用。SOC把系統(tǒng)的處理機制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路及器件的設計緊密結(jié)合，在一片完成了整個復雜的系統(tǒng)。它相對于傳統(tǒng)的多IC組成的電子系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)勢：低功耗、可靠性（減少芯片對外管腳數(shù)，減少外圍驅(qū)動接口單元與電路板間的信號傳遞，內(nèi)嵌的線路可以避免系統(tǒng)干擾）、高集成度、較少開發(fā)成本、較短的開發(fā)周期。

VLSI低功耗設計及優(yōu)化是一個非常復雜的問題，一般從下面幾個階段來考慮：

1． 系統(tǒng)設計階段。在這個階段要從軟硬件協(xié)調(diào)設計綜合來考慮。在實現(xiàn)應用功能的基礎上，來選擇哪些功能由硬件來實現(xiàn)，哪些功耗大的操作由軟件來執(zhí)行。同時，在系統(tǒng)設計，還要考慮硬件本身的電源模式：設計睡眠模式及喚醒操作。同時采用功耗管理策略，及變電壓技術(shù)。

2． 結(jié)構(gòu)層次。采用總線編碼技術(shù)，主要是通過降低翻轉(zhuǎn)活動來降低功耗。采用并行結(jié)構(gòu)，用面積換性能的同時，可以把工作頻率降低下來，以降低功耗。采用流水線結(jié)構(gòu)，這個方法其實為重定時(retiming)的特例，通過縮短關(guān)鍵路徑，減少路徑上充放電容的數(shù)值，來減少功耗。其它的Retiming(重定時)，Unfolding(展開)也可以在算法層次上降低功耗。

3． RTL級。主要通過采用低功耗的綜合流程來降低功耗。在這個階段會加入門控時鐘從而降低動態(tài)翻轉(zhuǎn)率。

4． 物理設計。采用多電源多閾值電壓單元庫，及低功耗
物理設計流程及EDA軟件。設計多電源域，優(yōu)化動態(tài)功耗來降低功耗。在時鐘樹綜合時，在平衡skew的同時，盡量在翻轉(zhuǎn)率較低的節(jié)點插入驅(qū)動。

3. 系統(tǒng)層次上的低功耗設計

從軟硬件協(xié)調(diào)工作的角度來考慮，設計出來無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖 1所示。整個系統(tǒng)通過核心單元RISC CPU核來協(xié)調(diào)各子模塊的通信及工作。TRF6903芯片為低功耗低電壓的多頻帶射頻RF收發(fā)芯片，它支持315/433/868/915 Mhz可選頻段，支持跳頻協(xié)議，內(nèi)部完成FSK/OOK調(diào)制，速度可達64kbps。TRF6903低功耗的特點使其適合于電池供電，這與網(wǎng)絡節(jié)點的低功耗要求是一致的。

基帶處理單元模塊，用來實現(xiàn)基于IEEE 802.15.4協(xié)議的物理層及部分數(shù)據(jù)鏈路層的功能；數(shù)據(jù)鏈路層以上層協(xié)議可以采用軟件實現(xiàn)可以節(jié)省功耗。這是因為復雜的網(wǎng)絡層，傳輸層，應用層如果用硬件實現(xiàn)，雖然在速度上會有所提高，但是硬件復雜度也隨之提高，這樣必然帶來功耗的提高。

圖 1無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點SOC設計框圖

在系統(tǒng)層次上，RISC CPU核設計了空閑模式及停止模式，來節(jié)省功耗。RISC CPU核進入空閑模式或停止模式時，CPU內(nèi)部時鐘停止運行，同時內(nèi)部寄存器保持數(shù)據(jù)。

4. 結(jié)構(gòu)層次上的低功耗設計

通過仔細分析整個SOC芯片的功耗來源，可知RISC CPU核，RAM，F(xiàn)lash及基帶處理模塊占去了絕大部分。下面從結(jié)構(gòu)層次進行低功耗設計。

4.1 RISC CPU核的低功耗設計

微處理器的功耗降低可以通過降低頻率，及降低工作電壓的方法來解決。在網(wǎng)絡節(jié)點SOC結(jié)構(gòu)層次上的設計中，除了采用慢速時鐘，及低電壓供電的方法，還同時針對數(shù)據(jù)路徑進行優(yōu)化，主要目的是為了減少電路中不必要的翻轉(zhuǎn)。指令譯碼數(shù)據(jù)路徑的優(yōu)化：一般情況下，CPU中所有的執(zhí)行單元直接接在指令譯碼單元后面。一旦有新的譯碼數(shù)據(jù)輸入，與其相連的所有執(zhí)行單元電路也去進行翻轉(zhuǎn)，造成不必要的功耗浪費。所以，在不影響時序功能的情況，設計分離的內(nèi)部總線，將不執(zhí)行的單元輸入數(shù)據(jù)及控制信號鎖存，其輸入信號保持不變，動態(tài)功耗可以減少。芯片內(nèi)部集成了RAM及Flash ROM。為了降低這兩者的功耗，避免不必要的翻轉(zhuǎn)，內(nèi)部總線與RAM，F(xiàn)lash 的接口單元設計鎖存器，這樣的話，只有CPU訪問相應的地址時，RAM及Flash內(nèi)部才進行翻轉(zhuǎn)。

4.2基帶處理模塊的低功耗設計

基帶處理模塊的設計框圖如圖 2所示；其基于IEEE 802.15.4協(xié)議的物理層幀及數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)如圖 3所示。從提高cpu的效率和減少功耗角度出發(fā)，基帶處理模塊采用中斷方式與CPU通線。基帶處理模塊發(fā)送完接收FIFO的數(shù)據(jù)幀，向CPU申請發(fā)送中斷，等待CPU寫入新的數(shù)據(jù)到發(fā)送FIFO；當基帶處理模塊接收到TR6903模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，存放入接收FIFO中，產(chǎn)生接收中斷等待CPU處理。

圖 2 基帶處理模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖 3 物理層及數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)

基帶處理模塊主要采用并行結(jié)構(gòu)與流水線技術(shù)來降低功耗。發(fā)送功能與接收功能的物理層發(fā)送模塊，緩沖區(qū)都是并行結(jié)構(gòu)。配置模塊也是分開來設計，數(shù)據(jù)的處理方式也是并行。包處理模塊的中CRC16也是采用并行結(jié)構(gòu)進行校驗的。這樣設計的好處，是為了在慢時鐘頻率下，通過并行設計提高性能，達到與高速時速一樣的性能。在圖 2中的各子模塊與子模塊之間都有流水級，也就是鎖存器，不僅僅為了減少不必要的翻轉(zhuǎn)，更重要的減少關(guān)鍵路徑上的長度，從而達到間接降低功耗的目的。

基帶處理模塊低功耗結(jié)構(gòu)設計如下：
?
發(fā)送FIFO，接收FIFO：為接收，發(fā)送幀緩沖區(qū)，用來存放MAC層的數(shù)據(jù)負載。
?
SFR特殊功能寄存器：1、中斷寄存器。主要有發(fā)送、接收中斷標志、中斷使能位，F(xiàn)IFO溢出標志位，發(fā)送、接收啟位位。2、配置寄存器。CPU 通過寫入SFR寄存器，來選擇TR6903的工作模式，工作速率等。3、狀態(tài)寄存器：存放FIFO的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)等。
?
包處理模塊：用硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層部分功能。發(fā)送模式下，添加可變字節(jié)的前導碼，3位的界定符，1個字節(jié)的幀長，可選的前向糾錯編碼，2個字節(jié)CRC16校驗這些數(shù)據(jù)作為MAC層負載；接收模式下，包處理模塊完成對數(shù)據(jù)包的解包，主要工作為前導碼的檢測，界定符的檢測，可選的1個字節(jié)地址比較，2個字節(jié)的CRC16校驗。
?
配置模塊：配置控制模塊，根據(jù)SFR中相應的配置來控制CLK，DATA，STOBE引腳的時序來控制TR6903相應的狀態(tài)，實現(xiàn)跳頻的功能。

接收物理層模塊：接收控制模塊，實現(xiàn)物理層發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。在RX_FLAG信號為高，即檢測界定符之后，在DCLK上升沿時采樣RX_DATA引腳的狀態(tài)，依次接收幀長字節(jié)，物理層有效負載，2個字節(jié)的CRC16校驗，送給包處理模塊處理，并同時從LEARN/HOLD引腳向TR6903芯片輸出相應的高電平，來應答接收狀態(tài)。
?
發(fā)送物理層模塊：發(fā)送控制模塊，實現(xiàn)物理層發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。在DCLK的上升沿將包處理模塊送來的物理層有效負載發(fā)送出去。

配置TR6903模式下仿真波形如所圖 4示，以串行方式向TR6903寫入6個字節(jié)的配置，改變TR6903工作頻率，實現(xiàn)跳頻。此時在ConfigClock的上升沿時從ConfigData送出10110010，00111010，01010110，00111010，10101010，10110010數(shù)據(jù)。Strobe為高時，ConfigClock停止。發(fā)送物理層幀部分仿真波形如圖 5所示，以串行方式向TR6903發(fā)送物理層的幀。此時，先送出32位的0101…0101同步碼，3個位的界字符111(TR6903檢測到3個時鐘周期以上的高電平)，后面緊接是幀長及物理層負載。接收物理層幀部分仿真波形如圖 6所示。TR6903在界定符發(fā)送完畢的最后一位，送出1個時鐘周期高電平RxFlag信號；基帶處理模塊檢測有效高電平，作為有效數(shù)據(jù)幀的開始，同時基帶處理模塊從LH引腳輸出高電平，來響應TR6903。

圖 4配置波形

圖 5發(fā)送物理層幀波形

圖 6接收物理層幀波形

5. RTL級及物理設計的低功耗實現(xiàn)

RTL級物理設計低功耗實現(xiàn)跟選用的EDA軟件有很大關(guān)系。在0.35um CMOS工藝下，采用synopsys的Design Compiler進行低功耗綜合，布局布線基于Cadence的SOC Encounter平臺。用Cadence的Voltage Storm對其進行門級功耗分析，動態(tài)功耗為103.6617mw。

6. 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡SOC芯片與傳統(tǒng)的MSP430+TRF6903方案比較起來更有優(yōu)勢，前者在可靠性，功耗，面積方面都更好。此方案在FPGA驗證平臺上驗證成功，設計的工作頻率為20Mhz，速度傳輸率達到64kbps，滿足了無線傳感器網(wǎng)絡傳輸速度要求；并在Cadence的數(shù)字后端平臺實現(xiàn)芯片的后端設計，工作頻率可達到100Mhz。

參考文獻：

[1] 吳微威，王衛(wèi)東，衛(wèi)國．基于超寬帶技術(shù)的無線傳感
器網(wǎng)絡．中興通訊技術(shù)，2005.4

[2] 戴紅衛(wèi)，郭煒，韓澤耀．一款低功耗SoC芯片的時鐘管理策略．微電子學與計算，２005 Vol.22 No.3

[3] 王祚棟，魏少軍．SOC時代低功耗設計的研究與進展．微電子學，2005 Vol.35 No.2

[4] Keshab K.Parhi．VLSI Digital Signal Processing
Systems Design and Implementation．機械工業(yè)出版社，2003

[5] 陸希玉，唐昆，崔慧娟．基于嵌入式系統(tǒng)的低功耗設計．微計算機信息，2005 No.2