基于Nios II/s的 通用无线传感网络节点的设计

　　1． 引言

　　无线传感网络（Wireless Sensor Network, WSN）是部署在监测区域内大量廉价微型传感器结点组成的，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统[1]，其目的是协作地感知，采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观测者。该技术起源于20世纪90年代的美国，经过十年的发展，无线传感网络技术集成了传感器技术，微机电系统，现代网络和无线通信等技术，跨越了计算机、半导体、嵌入式、网络、通信、光学、微机械、化学、生物、航天、医学、农业等众多领域，相关技术已取得了长足的进步[2-4]。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感网络列为21世纪最具有影响的21项技术和改变世界的十大技术之一。

　　无线传感器节点通过飞机大量抛撒或人工固定布置在任意地点，即便在恶劣的温度条件下，也能迅速组成自组织网络，同时传递出信息量丰富的信息。此过程中，无线网络传感节点的研究就显得至关重要。随着科学技术的进一步发展以及人类对高质高效社会的进一步追求，在原有基础上，以现代高新技术为依托，人们对无线传感网络技术的研究不断深入，研究成果也层出不穷。

　　本文的项目从工程技术和基础理论两个层面出发，重点对单个传感器进行了基本设计，从整体上建立一个对环境具有普适性的通用无线传感网络模型。特别在节点IP地址分配方法和能源供应问题上作出了改进。

　　2． 系统构成

　　整个系统主要由传感器，Nios?II处理器，并行模/数转换芯片，射频模块，能源模块以及外围部件构成。由传感器监测区域内信息并采集数据，并交由AC/DC进行数据转换；处理器负责传感节点的总体操作，处理本身采集的数据以及由其他节点发来的数据或控制信息；射频模块负责该节点与其他节点之间的无线通信，相互交换由汇聚节点或其他上层发来的控制信息和收发所采集的数据；拟用太阳能电池阵列与节点本身所携带的微型电池供电。

　　2.1 Nios II处理器

　　Nios II系列32位RISC嵌入式处理器Nios II 嵌入式CPU支持32位指令集、32位数据线宽度、32个通用寄存器、32个外部中断源、2GB寻址空间，包含高达256个用户自定义的 CPU 定制指令。其可选的片上 JTAG 调试模块是基于边界测试的调试逻辑，支持硬件断点、数据触发和片外片内的调试跟踪，具有的完全可定制特性、性能、较低的产品和实施成本、易用性、适应性和不会过时。由于处理器是软核形式，具有很大的灵活性，可以在多种系统设置组合中进行选择，达到性能、特性和成本目标。相比于市场的同类产品它具有非常多的优势。图二为Nios II的标准内核设计框图

　　●高灵活性

　　Nios II开发包含有一套通用外设和接口库，可以自己定制外设，使用SOPC Builder，可以在Altera FPGA中，组合实现现有处理器无法达到的嵌入式处理器配置，每次都能得到所需的结果。

　　●丰富的外设、存储器和接口。

　　功能接口包含： 外部三态桥接外部SRAM接口, UARTLCD接口, 用户逻辑接口,JTAG UARTC ,并行I/O,S8900 10Base-T接口, 系统ID,EPCS串行闪存控制器片内ROM, 直接存储器通道(DMA),紧凑闪存接口(CFI), 串行外设接口(SPI),SDR SDRAM ,片内RAM,LAN 91C111 10/100 ,有源串行存储器接口,以太网接口PCI,PCI DDR SDRAM CAN RNGUSB DDR2 SDRAM DES 16550 UARTRSA SHA-1 I2C10/100/1000 Ethernet MAC 浮点单元

　　●高速的数据处理能力

　　Nios II/s（快速）拥有5级流水线，动态支路预测，可设置指令及数据缓冲，动态支路预测，Nios II处理器定制指令扩展了CPU指令集，提高对时间要求严格的软件运行速度，从而能够大大提高系统性能。采用定制指令可以实现传统处理器无法达到的最佳系统性能。

　　Nios II系列处理器支持多达256条的定制指令，加速通常由软件实现的逻辑和复杂数学算法支持固定和可变周期操作，其向导功能将用户逻辑做为定制指令输入系统，自动生成便于在开发人员代码中使用的软件宏功能。

　　●Avalon交换架构

　　Avalon交换架构的同时多主机体系结构提高了系统带宽，消除了带宽瓶颈（图4）。采用Avalon交换架构，每个总线主机均有自己的专用互联，总线主机只需抢占共享从机，而不是总线本身。每当系统加入模块或者外设接入优先权改变时，SOPC Builder利用最少的FPGA资源，产生新的最佳Avalon交换架构。Avalon交换架构支持多种系统体系结构，如单主机/多主机系统，可实现数据在外设与性能最佳数据通道之间的无缝传输。