劉泳銳，劉文怡，張彥軍

(中北大學，電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051)

無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Network)是一種全新的信息獲取平臺，是傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術(shù)等多種技術(shù)的融合，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)各種被監(jiān)測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，以實現(xiàn)對復雜范圍內(nèi)目標的監(jiān)測與跟蹤，具有快速展開，隱蔽性強等特點，有著廣闊的應用前景［1］。隨著無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點采集數(shù)據(jù)量的不斷增大，在節(jié)點中實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)存儲越來越重要。本文針對聲音目標進行探測，完成了聲無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲設計，實現(xiàn)了一種交錯雙平面高速存儲技術(shù)在節(jié)點中的應用。

1 無線傳感網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

無線聲傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由大量廉價且具有傳感采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信、能量供給等模塊的傳感器節(jié)點組成。其中各節(jié)點是同構(gòu)的，成本低，靜態(tài)不移動，隨意散布在要監(jiān)測的區(qū)域，同時有足夠能量保證正常工作。一個典型的無線聲傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)包括聲音傳感器節(jié)點(Sensor節(jié)點)、匯聚節(jié)點(Sink節(jié)點)以及網(wǎng)絡監(jiān)控管理節(jié)點等。聲傳感器節(jié)點被隨意的散布在監(jiān)控區(qū)域以實現(xiàn)聲音采集，數(shù)據(jù)預處理，并能夠與匯聚節(jié)點組成一個自組織、多跳、無線的網(wǎng)絡。匯聚節(jié)點是網(wǎng)絡的處理中心節(jié)點，具有較強的處理能力、存儲能力和通信能力、以及穩(wěn)定充足的電源，但一般沒有感知能力。該節(jié)點向監(jiān)控管理節(jié)點上傳各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，并向各個節(jié)點下發(fā)控制命令。監(jiān)控管理節(jié)點一般由普通的計算機系統(tǒng)構(gòu)成，通過與匯聚節(jié)點通信來監(jiān)控、管理目標對象的狀態(tài)變化情況，從而對整個無線傳感網(wǎng)絡進行信息融合，得到整個監(jiān)控區(qū)域的信息狀態(tài)［2-3］。

圖1 典型多跳無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

2 無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構(gòu)設計

無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點一般由傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、電源供給模塊組成，如圖2所示。傳感器模塊完成對監(jiān)控區(qū)域的目標信息采集，并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號提供給處理模塊，本節(jié)點中針對聲音信號進行采集。數(shù)據(jù)處理模塊完成對數(shù)據(jù)的處理，信息識別和存儲功能。通信模塊完成節(jié)點間的信息交換。電源供給模塊為整個節(jié)點提供能量保證，由于節(jié)點使用環(huán)境的限制，要求電源能提供高效穩(wěn)定的能量。本次設計中要求對數(shù)據(jù)處理的同時進行數(shù)據(jù)的快速存儲以便為試驗數(shù)據(jù)分析提供保證，所以對FLASH的存儲操作至關(guān)重要。

圖2 聲無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

3 高速存儲設計

3.1 高速存儲方案設計

本次設計中，對于傳感器節(jié)點來說，由于數(shù)據(jù)量較大和通信速率的限制，節(jié)點采集的數(shù)據(jù)、與鄰近節(jié)點交換的數(shù)據(jù)需要在一定時間內(nèi)進行保存，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和傳輸速率的匹配，并為后續(xù)試驗分析提供數(shù)據(jù)保證。因此對數(shù)據(jù)進行存儲顯得尤為重要，本設計中在傳感器節(jié)點上配置了一塊非易失性NAND型FLASH存儲模塊。

FLASH是基于頁編程、塊擦除的，進行讀、寫、擦除都需要一定的時間，在這段時間內(nèi)FLASH芯片內(nèi)的被操作的Plane不能進行其他響應，這個等待時間會影響數(shù)據(jù)的記錄速度［4］。本文選用三星公司的K9WBG08U1M芯片，為了提高數(shù)據(jù)的存儲速度，采用交錯雙平面頁編程方式進行操作，其主要工作思想是流水線操作。

3.2 流水線操作模式

流水線技術(shù)可以提高系統(tǒng)頻率，通常用在高速信號處理領(lǐng)域，如果整個設計是單向的并且可以分為若干個步驟進行處理，就可以用流水線技術(shù)提高系統(tǒng)工作頻率［5-6］。主要方式是將一個整體過程從等待時間分開形成一個步驟，在等待時，執(zhí)行下一個過程中的一個步驟。這樣可以利用等待時間進行操作，提高器件的工作速度，如圖3所示。

圖3 多級流水線操作示意圖

FLASH的流水線操作是利用芯片在進行一頁編程的典型時間進行下一個Plane的頁操作，實現(xiàn)時間上的復用。頁編程分為數(shù)據(jù)寫入寄存器和內(nèi)部自動編程兩個過程。數(shù)據(jù)寫入寄存器過程可以分為發(fā)送編程命令、地址、數(shù)據(jù)。在完成寫入寄存器過程后，芯片進入內(nèi)部自動編程過程。在此期間立刻對另一個Plane進行數(shù)據(jù)寫入寄存器操作。以此類推，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的流水線寫入操作。

3.3 交錯雙平面操作

本次采用的4 Gbyte K9WBG08U1M芯片，它是由兩片2 Gbyte的 K9WAG08U0M(分別為 chip1和chip2)組成的。本設計利用交錯雙平面頁編程(Interleave Two-Plane Page Program)實現(xiàn)兩個2 Gbyte K9WAG08U0M之間交錯寫入數(shù)據(jù)。每個K9WAG08U0M內(nèi)部可以劃分為4個存儲平面(Plane)，每個平面包含2 048個塊和4224 byte的頁寄存器，并且每個Plane可以進行單獨的頁編程和塊擦除操作［7］。進行雙平面操作時，必須將Plane0和Plane1分為一組(記為1組)，Plane2和Plane3分為一組(記為2組)。只能同時對每一組里的兩個Plane進行操作，如圖4所示。不能交叉，如果同時對Plane0和Plane3、Plane1和Plane2操作是不正確的。

在進行交錯雙平面編程的時候，首先使能CE1，即選中chip1。對chip1中的1組進行雙平面寫入操作時，1組的每一次操作都將完成Plane0和Plane1中兩個對稱塊上同一位置的一頁寫入操作(包括命令字、地址、數(shù)據(jù))，之后等待200μs的自動編程忙狀態(tài)。這時對2組進行寫入操作，其過程與對1組操作一樣，之后等待200 μs。這時控制端使能CE2，即選中chip2，對chip2中的1組和2組進行操作，其過程與chip1中的操作一樣，如圖5所示。交錯雙平面頁編程與普通的FLASH頁編程(Page Program Operation)比較可知，普通的頁編程在寫入一頁數(shù)據(jù)后要等待200 μs的頁編程時間;而使用交錯雙平面頁編程時，是在寫入兩頁后才有一次真正的200 μs的頁編程時間，節(jié)省了一次頁編程時間，交錯雙平面頁編程操作流程如圖6所示。

圖4 K9WBG08U1M型內(nèi)部陣列結(jié)構(gòu)圖

圖5 交錯雙平面頁編程寫操作原理圖

圖6 FLASH交錯雙平面頁編程操作流程圖

采用交錯雙平面操作，其寫入速度的理論極限值為40 Mbyte/s。假設數(shù)據(jù)以40 Mbyte/s的速度寫入，完成第一組某塊的一頁寄存器操作后，該組將進入200μs的等待時間，此時依次對chip1中的2組、chip2中的1組、chip2中的2組進行寫入操作［8］。整個寫入時間為:

6 ×4 096 byte/40 Mbyte/s=585.9 μs＞200 μs

由此可見，在第四個組完成寫入寄存器操作后，第一個組的等待時間已經(jīng)結(jié)束，可以繼續(xù)從第一組開始寫入。整個過程中沒有等待時間。由于極限速度是40 Mbyte/s，本設計為了增加冗余，F(xiàn)PGA控制器對FLASH以30 Mbyte/s的速度進行寫入操作。

4 實驗結(jié)果

試驗時，在對節(jié)點的FLASH完成無效塊檢測后，采用30 Mbyte/s的速度對FLASH進行交錯雙平面寫入操作。寫入操作上位機截圖如圖7所示。最后將存入FLASH中的數(shù)據(jù)通過FPGA經(jīng)由USB控制芯片(CY7C68013)讀取到上位機，進行數(shù)據(jù)分析。

圖7 上位機寫入操作

使用遞增數(shù)對FLASH進行寫入操作，遞增數(shù)的數(shù)據(jù)格式為:大幀=96×小幀(250 byte)，小幀格式為:遞增數(shù)(00-F6)、1位幀計數(shù)(從00開始)和小幀幀標志(EB 90);大幀格式為:當記到96個小幀時，寫3位幀計數(shù)(從00 00 00開始)和大幀幀標志(14 6F)。圖8為上位機讀取的遞增數(shù)。

圖8 上位機讀取的遞增數(shù)

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)對聲音無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)存儲進行設計，利用交錯雙平面頁編程操作實現(xiàn)了對FLASH的高速數(shù)據(jù)存儲。有效地保證了節(jié)點因數(shù)據(jù)量大和傳輸速率受限而引起的數(shù)據(jù)不能及時處理和交互的問題。通過試驗表明，該存儲方式穩(wěn)定、可靠，為整個試驗系統(tǒng)的正常工作和后續(xù)分析提供了有力的保障。

［1］趙海，趙杰，劉錚，等.一種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計與實現(xiàn)［J］.東北大學學報(自然科學版)，2009，30(6):809-812.

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［3］梁小滿，馬行坡.無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)存儲技術(shù)研究進展［J］.計算機應用研究，2009，26(2):439-443.

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［7］Samsung Electronics K9XXG08XXM Data Sheet［EB/OL］.http://www.samsung.com，2006，12.

［8］趙海艦，甘萌.嵌入式系統(tǒng)中的FLASH編程技術(shù)研究［J］.計算機工程與設計，2005，26(11):3006-3009.