Research on Key Technologies of Industrial Wireless Network SoC

本文研究了工业无线网络系统级芯片的系统结构、MAC层硬件加速、低功耗设计、功能验证等关键技术，目标是设计一款满足工业无线网络标准可靠性通信需求、低功耗需求以及时钟同步精度的系统级芯片，该芯片集成了微控制器内核、存储器、硬件协议加速模块和常用外设。在系统结构部分本文研究了工业无线网络标准对系统结构的需求，制定系统结构设计原则，完成微控制器内核选择、总线结构布局等工作，性能对比证明了系统结构的合理性；在MAC层硬件加速部分，确定了加速模块结构、硬件协议加速方法、硬件状态机与定时器的交互流程，解决了采用软件协议实现所面临的耗用资源大、定时精度差等难题；在低功耗优化方面，由于系统级芯片主流低功耗设计技术的局限性，根据工业无线仪表中的动态/静态功耗分布比例，提出了一种综合采用门控时钟、异步电路应用、电源管理模块、系统级优化等多种方法相结合的低功耗优化策略；在功能验证部分，完成了工业无线网络SoC板级支持包设计、软硬件协同仿真测试平台设计、SoC样片交互测试软件设计等工作，制定系统级芯片的功能验证方法，并测试了系统级芯片的主要功能、性能指标。本文最终设计实现了一款适用于工业无线网络的，集成ARM Cortex-M3微控制器核心、程序存储器、数据存储器，集成2.4 GHz射频收发器、MAC层硬件加速模块，集成了包括UART、GPIO、SPI等常用外设，最高工作频率为32MHz的系统级芯片。通过对芯片功能、性能的测试和分析，该芯片较好的解决了传统方案中功耗高、开发难度大等缺点，为下一步协议级芯片研发打下了基础。