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无线传感网节点的低功耗设计

作　者: 王珏
导　师: 汪蕙
学　校: 清华大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 无线传感器网络 芯片设计 非挥发存储器 非挥发逻辑
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 72次
引　用: 1次
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内容摘要


无线传感器网络是一种不需提前建立基础设施的用来采集数据的自组织网络,它有着非常广阔的应用空间。传感器网络节点是传感器网络的重要组成部分,而在节点的硬件设计中,功耗是其最重要的性能指标之一,降低功耗对于延长无线传感器网络的寿命是极为重要的。首先,论文中设计并实现了一种新型结构的传感器网络节点芯片。在该芯片中采用了低功耗处理器MC8051,加入多个硬件接口模块,并设计了专用的数据压缩硬件加速电路。论文中完成了整个芯片的前端设计、后端设计、流片和测试验证,芯片采用0.18um COMS技术,面积为1.5mm x 3mm。测试结果表明该芯片功能正确,运行功耗约为2.6mW,数据压缩硬件加速器与软件实现压缩相比降低了约98%的能耗。其次,论文中对非挥发铁电存储技术进行了研究,对关键的器件铁电电容进行电路建模和仿真。在该模型的基础上设计了非挥发存储单元,将其应用到传感网节点中,大幅减少了节点的泄漏功耗。此外,为了从系统级的角度进一步降低传感网节点的功耗,设计实现了铁电非挥发寄存器逻辑电路。该技术可以使程序在恢复供电后紧接着断电前的状态继续执行,实现电路的瞬时恢复,节省了重新运行的时间和功耗。同时,对非挥发触发器电路进行改进,减少了约20%-60%的写寄存器次数,延长了铁电材料的使用寿命。通过测试验证了本课题中的设计有效的减少了无线传感器网络节点的能量消耗,实现了低功耗无线传感网节点的设计。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 选题背景  8-14
  1.1 无线传感器网络简介  8-11
    1.1.1 无线传感器网络的结构  8-10
    1.1.2 无线传感器网络的特点  10
    1.1.3 无线传感器网络的应用  10-11
  1.2 无线传感器网络节点的低功耗设计  11-13
    1.2.1 减少无线传感器网络节点的动态功耗  11-12
    1.2.2 减少无线传感器网络节点的静态功耗  12-13
  1.3 章节安排  13-14
第2章 低功耗无线传感器节点设计  14-32
  2.1 无线传感器网络节点硬件平台简介  14-15
  2.2 设计芯片结构及算法介绍  15-28
    2.2.1 微处理器的介绍与设计  17-19
    2.2.2 数据压缩加速器设计  19-23
    2.2.3 接口控制器  23-28
  2.3 节点平台验证的基本方法  28-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章 节点芯片设计及测试  32-44
  3.1 芯片设计流程方法介绍  32-35
    3.1.1 RTL 代码的综合  33-34
    3.1.2 芯片的布局布线  34-35
  3.2 芯片设计结果  35-36
  3.3 芯片测试电路板设计  36-39
  3.4 芯片测试环境说明  39-40
  3.5 芯片测试结果  40-42
  3.6 本章小结  42-44
第4章 非挥发存储技术的应用  44-56
  4.1 铁电非挥发存储技术的介绍  44-48
    4.1.1 铁电存储器的工作原理  45-46
    4.1.2 铁电存储器的电路结构  46-47
    4.1.3 铁电存储器读写过程  47
    4.1.4 铁电存储器特性分析  47-48
  4.2 铁电电容的模型建立  48-51
    4.2.1 建模方法与Matlab 仿真结果  48-50
    4.2.2 搭建铁电电容模型  50-51
  4.3 非挥发性锁存器的设计和仿真  51-54
    4.3.1 电路基本结构及工作原理介绍  52
    4.3.2 非挥发性锁存器的仿真结果  52-54
  4.4 非挥发性寄存器的实现  54-55
  4.5 本章小结  55-56
第5章 传感器网络节点中非挥发技术的应用  56-64
  5.1 传感器网络节点中使用非挥发技术的意义  56-58
    5.1.1 非挥发存储器的应用  56
    5.1.2 非挥发逻辑的应用  56-58
  5.2 传感器网络节点中非挥发逻辑的应用和仿真  58-62
    5.2.1 提高铁电触发器寿命的改进电路  58-60
    5.2.2 非挥发逻辑电路的仿真结果  60-62
  5.3 本章小结  62-64
第6章 结论  64-66
  6.1 论文工作的内容  64-65
  6.2 不足与展望  65-66
参考文献  66-69
致谢  69-70
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  70

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器 > 传感器的应用
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