专利名称：一种用于无线传感器网络节点上的处理芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线传输领域，特别涉及一种用于无线传感器网络节点上的处理芯片。
背景技术：
无线传感器网络是由大量密集部署在监控区域的自治节点构成的一种自组织网 络应用系统。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、 分布式信息处理技术等，既是多学科高度交叉的具有高度挑战性的前沿研究领域， 也是国内外公认的具有广阔发展前景的高技术产业。
节点的功耗、体积和成本是无线传感器网络所面临的三大难题，目前的无线传 感器网络节点一般采用单片机或嵌入式系统技术，用电路板将电源、通用的处理器 芯片、射频芯片、传感器以及一些其他外围电路连接起来，以软件作为网络协议和
算法的主要实现手段，例如CrossBow公司的Mica系列节点。用这种方法设计出来 的节点，由于存在使用的芯片较多，芯片没有专门针对无线传感器网络这种应用环 境做过优化，以及用软件来实现协议和算法的方法效率较低等缺点，在功耗和体积 等方面难以满足无线传感器网络的需要。阻碍了无线传感器网络应用的推广。
随着SoC (片上系统)技术的发展和推广，在一个芯片上集成处理器和其他各 种模块，使之组成一套系统成为可能，将这种方法应用到无线传感器网络领域，将 成为解决上述问题的一种有效途径。目前，虽然有一些芯片将处理器和无线射频模 块集成到一个芯片中，但是这些芯片没有集成路由等高层网络协议，也没有集成无 线传感器网络常用算法的协处理器，只是把处理器和无线射频作一个简单的拼凑。 例如，Jennie公司的JN5121-Z01-M0x虽然在一个芯片中集成了处理器、无线模块， 以及MAC协议，但是它是将MAC协议的程序段固化在芯片的ROM中，通过软件调度 处理器来实现MAC协议。开发者在使用这些芯片时，需要用软件实现高层的网络协 议和算法，这样对开发者水平要求很高，既要懂得无线传感器网络的网络协议，又
要懂得应用环境的需要，而设计实现无线传感器网络的网络协议的调试工作量很大， 非无线传感器网络专业的开发者往往难以完成。同时，让处理器处理这些使用频率 很高的协议和算法，既得不到较高的能效比，又浪费了处理器的资源。
发明内容
本发明的目的是克服现有集成有处理器和无线射频模块的芯片中，没有集成路 由协议以及用于处理网络常用算法的协处理器的缺陷，从而提供一种用于无线传感 器网络节点上的高效的专用处理芯片。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于无线传感器网络节点上的处理芯片， 包括处理器l、程序下载控制器3、程序存储器4、内存5、无线射频模块6、 MAC 协议模块7、接口模块9和中断控制模块10，还包括协处理器2、路由协议模块8; 其中，所述的处理器1与所述的程序下载控制器3连接，并连接到芯片内的总线上； 所述的协处理器2与总线相连；所述程序下载控制器3除与所述处理器1相连外， 还与所述的程序存储器4连接，所述程序下载控制器3对芯片外设备提供程序下载 接口；所述内存5、 MAC协议模块7、路由协议模块8、接口模块9和中断控制模 块10都连接到总线上，所述无线射频模块6与所述MAC协议模块7连接；所述接 口模块9对外提供数据接口;所述中断控制模块10通过中断连接线与所述处理器1 、 协处理器2、 MAC协议模块7、路由协议模块8、接口模块9连接，所述中断控制 模块10还对芯片外设备提供中断接口 。
上述技术方案中，所述的处理器l为芯片中的各个模块调度数据，采用现有的 IP模块或者开源代码来实现。
上述技术方案中，所述的协处理器2实现节点定位、滤波、FFT变换的计算操作。
上述技术方案中，所述的无线射频模块6在所述MAC协议模块7的控制下完 成对信号的调制解调功能，该模块具有发送、接收和休眠三种工作模式。
上述技术方案中，所述的MAC协议模块7在所述处理器1的控制下设定所述 无线射频模块6的工作频率、发送功率和调制解调模式，并由所述处理器l配制它 发送和接收数据的对象，以及工作休眠时间的分配；所述发送和接收数据的对象是 指所述MAC协议模块7发送和接收数据的对象是所述的处理器1还是所述的路由 协议模块8。 上述技术方案中，所述路由协议模块8根据模块中集成的路由协议封装或拆分 数据包，并转发处理后的数据包。
上述技术方案中，所述接口模块9为芯片提供了各种常用接口，所述常用接口 包括串口、 SPI、 12C、并口以及模数转换接口。
上述技术方案中，所述中断控制模块10实现对所述处理器1的中断接口的扩展; 所述中断控制模块IO作为所述处理器1的中断输入，将芯片内的协处理器模块2、 MAC协议模块7、路由协议模块8、接口模块9、以及芯片外的中断请求发送到所述 处理器l的中断输入口，并为所述处理器l提供中断的来源信息。
本发明的优点在于
1、 本发明的用于无线传感器网络节点上的处理芯片将无线传感器网络中使用频 率很高的网络协议以及信号处理的算法用硬件逻辑来实现，发挥硬件逻辑的高效率 性，节省无线传感器网络节点的功耗。
2、 本发明的用于无线传感器网络节点上的处理芯片中的处理器根据软件调度各 个模块，通过编写不同的软件，可以用不同的方法调度硬件模块，从而实现各种各 样的功能，发挥了软件的灵活性。
3、 本发明将无线传感器网络节点的大部分功能在一个芯片中实现，芯片提供了 丰富的传感器接口，用户只需在芯片外连接传感器和电源即可制作成节点，有效的 减少了传感器节点的体积。
图1为本发明的用于无线传感器网络节点上的处理芯片的结构图。 图面说明
1 处理器 2 协处理器 3 程序下载控制器
4 程序存储器 5 内存 6 无线射频模块
7 MAC协议模块 8 路由协议模块 9 接口模块 10 中断控制模块
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的用于无线传感器网络节点上的处理芯片包括处理器1、
协处理器2、程序下载控制器3、程序存储器4、内存5、无线射频模块6、 MAC协 议模块7、路由协议模块8、接口模块9和中断控制模块10。其中，所述的处理器l 与程序下载控制器3连接，并连接到总线上，协处理器2也与总线相连，程序下载 控制器3除与处理器1相连外，还与程序存储器4连接，程序下载控制器3对芯片 外设备提供了程序下载接口；内存5、 MAC协议模块7、路由协议模块8、接口模 块9和中断控制模块10都连接到总线上，无线射频模块6则与MAC协议模块7连 接。接口模块9对外提供数据接口；中断控制模块10通过中断连接线与处理器1、 协处理器2、 MAC协议模块7、路由协议模块8、接口模块9连接，中断控制模块 IO还对外提供中断接口。
处理器1在本发明的用于无线传感器网络节点上的处理芯片中起到为各模块间 调度数据的作用，因此功能无需很强，可以选择现有的IP模块或者开源代码来实 现，例如Oregano Systems的MC8051处理器源代码、ARM系列的处理器模块等， 也可以自己设计。为了节省功耗、芯片体积和成本，处理器1的工作频率不需要很 高，12兆赫兹左右就可以接受，数据总线宽度在8位左右，地址总线宽度为16位， 可以采用RISC结构的指令集来节省处理器的规模。
协处理器2通过总线与处理器1作交互，由于在无线传感器网络节点专用芯片 中，IIR滤波、FFT信号处理等操作需要做大量的计算操作，因此在芯片中设置协 处理器2专门处理上述的操作，以减轻处理器1的工作负担。协处理器2中包含和 配置系数的IIR滤波、FFT等信号处理常用的硬件化的算法，以及节点定位等无线 传感器网络相关的硬件化算法。处理器1通过总线来配置协处理器2，并将要处理 的数据通过总线传给协处理器2,协处理器2处理之后，处理器1通过总线读取处 理之后的数据，来完成相应的数据操作。
程序下载控制器3在没有收到外部命令的时候，起的是导线的作用，将处理器 1的程序读取地址线和程序数据线直接连接到程序存储器4上，当程序下载控制器3 收到外部命令，要求对程序存储器4进行操作时，程序下载控制器3将隔开处理器 1与程序存储器4之间的连线，并将处理器1处于复位状态，直到完成外部要求的 相应操作后，再将处理器1与程序存储器4相连，并去除处理器1的复位状态。
程序存储器4用来存储芯片中所用到的程序，程序存储器4由FLASH或 EEPROM工艺制作。
内存5与处理器1通过总线交互，内存5的大小根据处理器的性能而定，在
4kByte 32Kbyte之间为宜。
无线射频模块6在MAC协议模块7的控制下完成对信号的调制解调功能。无 线射频模块6的工作频率、发送功率、调制解调模式以及工作模式由MAC协议模 块7设定，它具有发送、接收和休眠三种工作模式。在发送模式，无线射频模块6 将MAC协议模块7传来的数据调制后，从与芯片连接的天线发送出去。在接收模 式，无线射频模块6将天线传来的无线信号的信号强度以及无线信号解调后得到的 数字信号发送给MAC协议模块7。在休眠模式，无线射频模块6既不发送也不接 受信号，并将当前不用的电路关闭，以节省功耗。
MAC协议模块7在处理器1的控制下设定无线射频模块6的工作频率、发送 功率和调制解调模式，并由处理器l配制它发送和接收数据的对象，以及工作休眠 时间的分配。MAC协议模块7发送和接收数据的对象可以是处理器1，也可以是路 由协议模块8。在没有数据要发送时，MAC协议模块7根据协议，控制无线射频模 块6在接收和休眠两种模式之间的切换。在接收模式时，MAC协议模块7根据信 号强度和解调后的信号内容来判断是有用信息还是噪声，并把有用信息根据之前处 理器1的配置发送给处理器1或路由协议模块8。当MAC协议模块7从处理器1 或路由协议模块8收到数据要求发送时，它首先将无线射频模块6设置成接收模式 来侦听信道，当判断目前信道为空时，再将无线射频模块6设置成发送模式，将数 据传送给无线射频模块6后，由无线射频模块6通过天线发送。
路由协议模块8由处理器1配置它是否需要工作，以及在工作条件下该模块中 的工作参数。如果路由协议模块8被配置成不工作，它将处于休眠状态。如果路由 协议模块8配置成需要工作， 一方面它将接受MAC协议模块7传来的数据，根据 路由协议的设定来拆包，并判断该数据包是需要上传到处理器1，还是需要转发， 或是可以忽略；然后根据判断结果，将需要上传的数据上传到处理器l，将需要转发 的数据根据协议重新封装成数据包并交给MAC协议模块7发送；将可以忽略的数 据包忽略。另一方面，它将处理器1传送来的需要发送的数据根据协议封装成数据 包发送到MAC协议控制模块7。
上述的无线射频模块6、 MAC协议模块7和路由协议模块8完成了无线网络从 物理层到网络层的工作。在处理器1配置使用路由协议模块8的情况下，网络对于 程序来说是完全透明的，程序只要将数据发送到路由协议模块8，并从路由协议模 块8接收数据即可，不用关心数据在无线网络中是如何传输的，这在实际使用中带
来很大的方便，同时在无线传感器网络中，无线发送和接收的使用频率很高，将这 些网络协议硬件化， 一方面提高了能效比，节省了功耗，另一方面处理器l不需要 处理网络协议，能有更多资源处理其他任务，间接的提高了处理器的能力。如果想
要使用路由协议模块8中没有包含的路由协议，处理器1可以关闭路由协议模块8 并直接操作MAC协议模块7，这样做体现了芯片的灵活性和可配置性，当然，在 这种情况下，软件程序需要实现无线网络的网络层协议。
接口模块9为芯片提供了各种常用接口，该模块对内以总线的方式与处理器1 做交互，对外提供串口、 SPI、 12C、并口以及模数转换等多种常用的接口。接口模 块9完成总线的并行数据与外部接口的通讯数据之间的转换。
中断控制模块10的作用在于扩展处理器1的中断资源，它通过总线与处理器1 交互，并将它的中断输出接到处理器l的中断输入上。同时，它在芯片内与协处理 器2、 MAC协议模块7、路由协议模块8以及接口模块9的中断输出相连，与芯片外 与芯片相连的中断输入引脚相连，并对这些模块和引脚的输入做编号。当其中一个 模块或引脚发出中断请求时，中断控制模块10记录中断源的编号，通过处理器1 的中断接口向处理器l发出中断请求，当处理器进入中断时，可通过总线向中断控 制模块IO读取中断编号，根据编号，处理器1可判别是哪个模块或引脚发出的中断， 并作相应的处理。这样，中断控制模块10就完成了对处理器中断资源的扩展。
权利要求
1. 一种用于无线传感器网络节点上的处理芯片，包括处理器(1)、程序下载控制器(3)、程序存储器(4)、内存(5)、无线射频模块(6)、MAC协议模块(7)、接口模块(9)和中断控制模块(10)；其特征在于，还包括协处理器(2)、路由协议模块(8)；其中，所述的处理器(1)与所述的程序下载控制器(3)电连接，并连接到芯片内的总线上；所述的协处理器(2)与总线电连接；所述程序下载控制器(3)与所述处理器(1)电连接，还与所述的程序存储器(4)电连接，所述程序下载控制器(3)对芯片外设备提供程序下载接口；所述内存(5)、MAC协议模块(7)、路由协议模块(8)、接口模块(9)和中断控制模块(10)分别电连接到总线上，所述无线射频模块(6)与所述MAC协议模块(7)电连接；所述接口模块(9)对外提供数据接口；所述中断控制模块(10)通过中断连接线与所述处理器(1)、协处理器(2)、MAC协议模块(7)、路由协议模块(8)、接口模块(9)电连接，所述中断控制模块(10)还对芯片外设备提供中断接口。
2、 根据权利要求1所述的用于无线传感器网络节点上的处理芯片，其特征在于, 所述的处理器(1)采用现有的IP模块或者开源代码，为芯片中的各个模块调度数 据。
3、 根据权利要求1所述的用于无线传感器网络节点上的处理芯片，其特征在于， 所述的协处理器(2)实现节点定位、滤波、FFT变换的计算操作。
4、 根据权利要求1所述的用于无线传感器网络节点上的处理芯片，其特征在于， 所述的无线射频模块(6)在所述MAC协议模块(7)的控制下完成对信号的调制 解调功能，该模块具有发送、接收和休眠三种工作模式。
5、 根据权利要求1所述的用于无线传感器网络节点上的处理芯片，其特征在于， 所述的MAC协议模块(7)在所述处理器(1)的控制下设定所述无线射频模块(6) 的工作频率、发送功率和调制解调模式，并由所述处理器(1)配制它发送和接收数 据的对象，以及工作休眠时间的分配；所述发送和接收数据的对象是指所述MAC 协议模块7发送和接收数据的对象是所述的处理器(1)还是所述的路由协议模块(8)。
6、 根据权利要求1所述的用于无线传感器网络节点上的处理芯片，其特征在于， 所述路由协议模块(8)根据模块中集成的路由协议封装或拆分数据包，并转发处理后的数据包。
7、 根据权利要求1所述的用于无线传感器网络节点上的处理芯片，其特征在于， 所述接口模块(9)为芯片提供了各种常用接口，所述常用接口包括串口、 SPI、 12C、 并口以及模数转换接口。
8、 根据权利要求1所述的用于无线传感器网络节点上的处理芯片，其特征在于， 所述中断控制模块(10)实现对所述处理器(1)的中断接口的扩展；所述中断控制 模块(10)作为所述处理器(1)的中断输入，将芯片内的协处理器模块(2)、 MAC 协议模块(7)、路由协议模块(8)、接口模块(9)、以及芯片外的中断请求发送 到所述处理器(1)的中断输入口，并为所述处理器(1)提供中断的来源信息。
全文摘要
本发明公开了一种用于无线传感器网络节点上的处理芯片，包括处理器、程序下载控制器、程序存储器、内存、无线射频模块、MAC协议模块、接口模块和中断控制模块，还包括协处理器、路由协议模块；其中，处理器与程序下载控制器连接，并连接到芯片内的总线上；协处理器与总线相连；程序下载控制器还与程序存储器连接，程序下载控制器对芯片外设备提供程序下载接口；内存、MAC协议模块、路由协议模块、接口模块和中断控制模块都连接到总线上，无线射频模块与MAC协议模块连接；接口模块对外提供数据接口；中断控制模块通过中断连接线与处理器、协处理器、MAC协议模块、路由协议模块、接口模块连接，中断控制模块还对芯片外设备提供中断接口。
文档编号H04L29/00GK101207602SQ200610169558
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月22日 优先权日2006年12月22日
发明者莉 崔, 希 黄 申请人:中国科学院计算技术研究所