随着物联网和智能化设备的普及，无线传感器网络（WSN）在各个领域得到了广泛的应用。MAC（媒体访问控制）协议作为WSN的核心技术之一，在数据传输过程中起着至关重要的作用。本文将介绍一种基于FPGA（现场可编程门阵列）的无线传感器网络MAC控制器设计方法，旨在提高数据传输的效率和稳定性。
设计方法采用自顶向下的设计思路，将整个系统分为发送模块、接收模块、CSMA/CA协处理器模块、PHY接口模块和MCU接口模块五个部分。
一、发送模块
发送模块主要负责将上层协议提供的数据封装后，通过PHY接口发送给PHY。其功能包括：
1. 插入前导序列和帧起始分隔符； 2. 计算CRC校验码； 3. 发送数据包； 4. 发送自动应答。
发送模块由以下五个子模块组成：
1. 发送FIFO缓存器（Tx_FIFO）； 2. 发送状态机（Tx_FSM）； 3. 自动应答模块（Tx_Ack）； 4. 发送计数器（Tx_Counter）； 5. CRC计算模块（Tx_Crc）。
二、接收模块
接收模块负责接收并识别从串行数据线上输入的符合IEEE802.15.4协议格式的帧。其主要功能包括：
1. 接收并存储数据； 2. 检查数据帧的正确性； 3. 生成接收状态机的控制信号。
接收模块由以下部分组成：
1. 接收缓存（RxFIFO）； 2. 接收状态机； 3. 接收控制逻辑。
三、CSMA/CA协处理器模块
CSMA/CA协处理器模块是MAC协议的核心，负责：
1. 控制接收和发送状态机，协调半双工收发控制； 2. 执行CSMA-CA算法。
四、PHY接口模块
PHY接口模块负责：
1. 与物理层芯片（PHY）进行数据交换； 2. 将串行数据转换为物理信号。
五、MCU接口模块
MCU接口模块负责：
1. 与微控制器（MCU）进行通信； 2. 控制整个系统的运行。
通过以上五个模块的协同工作，实现了基于FPGA的无线传感器网络MAC控制器。该控制器支持IEEE802.15.4协议，可适应20～250 kbs的数据传输速率，满足实际应用需求。
总结
本文介绍了一种基于FPGA的无线传感器网络MAC控制器设计方法，通过模块化的设计思路，实现了高效、稳定的数据传输。该方法具有较强的实用性和可扩展性，为无线传感器网络的发展提供了有力支持。
摘要
给出了一种由FPGA实现的无线传感器网络MAC控制器的设计方法，采用自顶向下的方法设计各个模块，并在QuartusII8.0完成了仿真，该控制器主要支持IEEE802.15.4协议。测试结果表明，该MAC控制器支持20～250 kbs数据传输速率，适应IEEE802.15.4协议要求。
媒体访问控制(Medium Access Control，MAC)协议处于无线传感器网络协议的物理层和网络层之间。用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介。它完成载波侦听多路访问(CSMA/CA)的信道存取、协议格式成帧或解帧、自动应答、系统多周期定时和帧校验等功能。
不同传感网络的应用有着不同MAC协议，其中IEEE802.15.4是最具代表性的协议。本文给出了用FPGA的控制逻辑来实现无线传感器网络MAC控制器的设计方法，并最终实现了符合IEEE802.15.4协议的控制器。
1 总体设计方案
无线传感器网络控制器的FPGA设计包括无线传感器网络MAC子层的FPGA设计、MAC子层与上层协议的接口设计以及与物理层(PHY)的接口设计。该无线传感器网络的总体结构设计如图1所示。
整个系统分为发送模块、接收模块、CSMA/CA协处理器模块、PHY接口模块和MCU接口模块5个部分。
发送模块和接收模块主要完成MAC帧的发送和接收功能，包括MAC帧的封装和解包，它直接提供了到外部物理层芯片(PHY)的串行接口。
CSMA/CA协处理器是MAC的核心，控制接收和发送状态机协调半双工收发控制，并且通过程序执行的方式完成CSMA—CA算法。
2 模块实现
2.1 MAC发送模块
发送模块可将上层协议提供的数据封装之后通过PHY接口发送给PHY。发送状态机按照帧的格式将数据进行封装，分别在数据的前端添加前导序列和帧起始分隔符以及在数据的后端添加CRC校验值，封装后的整个数据包以串行格式发送出去。
因此，发送部分的功能包括前导序列和帧起始分隔符插入、CRC计算、帧发送和自动应答等功能。
发送模块包括发送FIFO(First In First Out)缓存器模块(Tx_FIFO)、发送状态机模块(Tx_FSM)、自动应答模块(Tx_Ack)、发送计数器模块(Tx_Counter)和CRC计算模块(Tx_Crc)等5个子模块。其内部结构如图2所示。
2.1.1 发送状态机Tx_FSM
Tx_FSM是整个发送模块的状态机，它是整个发送模块的核心，主要用于产生发送过程中各个模快的控制信号。发送的状态转移，如图3所示。TxCSP_en是来自MAC控制部分CSMA/CA协处理器的发送状态机控制信号。当TxCSP_en信号为高电平时，启动状态机，开始帧的发送过程。
(1)IDLE：初始状态。当发送状态机上电复位或者成功接收到数据包时，进入此状态。如果收到TxCSP_en信号时，开始数据发送过程，否则，保持此状态。
(2)Tx_Preamble：发送前导序列。当状态机将跳变到此状态，开始向数据线上发送符合特定组合的前导码序列。IEEE802.15.4协议的帧格式的前导序列是4 Byte O。
(3)Tx_SFD：发送帧起始分隔符。在这个状态下开始发送帧的帧起始符，IEEE802.15.4协议的帧格式的帧起始符为10100111。同时启动计数器，对该过程进行计数。
(4)Tx_Data：发送数据帧MPDU部分。这个状态下发送帧的有效数据，这个有效数据是来自上层。当发送完8位有效数据后，便产生读取FIFO缓存信号，从接收FIFO读取1Byte数据。
(5)Tx_Crc：发送数据包的CRC校验位。在这个状态下，发送帧的16位CRC校验码。
(6)Tx_Ack：发送应答状态。如果接收到的帧有应答要求，则启动该状态。
2.1.2 CRC校验电路
通过使用16位CRC串行校验来进行帧的差错校验，其中校验多项式采用。将要传送帧的MPDU通过CRC校验模块，便产生了16位CRC校验码。16位串行CRC校验电路如图4所示。
2.1.3 发送模块的仿真结果
图5是发送模块的仿真结果，Tx_clk是来自PHY接口的发送时钟，s_out是帧以串行方式发送。最先发送的前导序列码，接下来帧起始分隔符，再就是数据位，最后是CRC检验位。
2.2 MAC接收模块
接收模块的主要功能：接收并识别从串行数据线上输入的符合IEEE802.15.4协议格式的帧。如果协处理器RxCSP_en信号有效，则启动数据接收过程。通过接收状态机的控制，按帧格式顺序接收不同的数据域。当接收到1Byte数据后，且Rx_fifowrite信号有效时，数据被写入到接收缓存RxFIFO中。
接收状态机产生整个接收过程所需要的控制信号，在控制信号的作用下将接收到的帧存储到RxFIFO。接收部分的状态转移如图6所示。
