thiết kế bộ đánh thức cho mạng cảm biến không dây

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐÁNH THỨC CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sinh viên thực hiện : PHẠM VĂN DANH Lớp ĐT8 – K51 Giảng viên hướng dẫn : TS. PHẠM NGUYỄN THANH LOAN Hà nội, 5-2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐÁNH THỨC CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sinh viên thực hiện : NGUYỄN CÔNG ANH (Khối ED) Lớp ĐT8 - K51 PHẠM VĂN DANH (Khối LNA) Lớp ĐT11 – K51 Giảng viên hướng dẫn : TS. PHẠM NGUYỄN THANH LOAN Cán bộ phản biện : TS. NGUYỄN ĐỨC MINH Hà nội, 5-2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: PHẠM VĂN DANH Số hiệu sinh viên: 20060479 Khoá: 51 Viện: Điện tử - Viễn thông Ngành: Điện tử - Viễn thông 1. Đầu đề đồ án: ……………………………………………… ……………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……… 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: …………………………………… …………………………………………… …… …………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………….………. … ……………………… …………………………………………………………………………………………………. 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ……………………………………………………………………………………………………………… ….…………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ….…… …………………………………………………………………………………………………………………………… … …… ….……………………………………………………………………………………………………………….…… 4. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ……………………………………………………………………………………………………………………… ….…… …………………………………………………………………………………………………………………… ……….… ………………………………………………………………………………………………………………………………. 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………………………………………………………………………… 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …………………………………………………………….….……………… 7. Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………… ………………… Ngày tháng năm 2011 Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2011 Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: PHẠM VĂN DANH Số hiệu sinh viên: 20060479 Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 51 Giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM NGUYỄN THANH LOAN Cán bộ phản biện: TS. NGUYỄN ĐỨC MINH 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: Ngày tháng năm 2011 Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) i Lời nói đầu Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, công nghệ vi mạch điện tử và viễn thông, đặc biệt trong lĩnh vực vô tuyến đã đem lại nhiều ứng dụng mới, cho phép chúng ta dễ dàng thu thập các thông tin ở bất kỳ vùng địa lý nào và tại bất kỳ thời điểm nào. Hiện nay xuất hiện ngày càng nhiều các phương pháp thu thập thông tin khác nhau, trong đó các ứng dụng của mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) được phát triển ngày càng rộng khắp trên thế giới cũng như ở nước ta. Quá trình thiết kế và xây dựng mạng cảm biến không dây đặt ra một số vấn đề như vấn đề năng lượng tiêu thụ, vấn đề đồng bộ cảm biến, vấn đề mở rộng mạng…Năng lượng luôn là yếu tô quan trọng của bất kì loại mạng nào. Với mạng cảm biến không dây, do đặc thù của mạng có thể được triển khai và hoạt động ở mọi lúc mọi nơi nên yêu cầu mỗi nút mạng phải có khả năng hoạt động liên tục trong một thời gian dài. Do đó năng lương tiêu thụ là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong việc duy trì thời gian hoạt động của một nút mạng . Mỗi một nút cảm biến là một thiết bị điện rất nhỏ, nên chỉ được trang bị nguồn năng lượng hạn chế, trong hầu hết các ứng dụng, do đặc thù nên việc tiếp thêm năng lượng là không thể thực hiện được. Cho nên thời gian tồn tại của nút cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ của nguồn năng lượng. Trong mạng cảm biến đa kết nối, mỗi nút vừa đóng vai trò là điểm khởi đầu số liệu và định tuyến số liệu. Sự trục trặc của vài nút có thể là nguyên nhân quan trọng của việc thay đổi hình thái mạng, phải định tuyến lại gói tin và phải tổ chức lại mạng. Do đó việc bảo tồn nguồn năng lượng và quản lý nguồn năng lượng là rất quan trọng. Vì lý do đó, mà đã có nhiều nhà nghiên cứu cố gắng đi tìm giải pháp để quản lý và sử dụng năng lượng một cách có hiêu quả. Và một số phương án đã được đưa ra: • Nghiên cứu ứng dụng nguồn năng lượng mới. • Tính toán, thiết kế các thuật toán, giao thức ít tiêu tốn năng lượng. • Thiết kế, tối ưu phần cứng của từng nút mạng. ii Trong đồ án này, một giải pháp tổng thể đã được đưa ra để tối ưu năng lượng tiêu thụ của toàn mạng. Đó là kết hợp giữa việc tối ưu phần cứng với việc lựa chọn, ứng dụng một giao thức truy nhập phù hợp. Thông thường, để để điều khiển truy nhập giữa các nút mạng, người ta sử dụng chu trình điều khiển mà trong đó cả nút thu mà phát sẽ được bật tắt theo chu kỳ được xác định bởi tín hiệu đồng bộ. Tuy nhiên giữa nút thu và nút phát thường mất đồng bộ, dẫn tới các nút này được bật lên không đúng thời điểm, tiêu tốn năng lượng vô ích. Thay vì như vậy, một đề xuất được đưa ra là sử dụng một bộ thu phụ có chức năng giống như bộ thu chính tuy nhiên nó có cấu tạo đơn giản hơn và tiêu thụ năng lượng cực nhỏ, nó sẽ liên tục giám sát kênh truyền, xử lý báo hiệu và gửi tín hiệu nhằm khởi động (đánh thức) bộ thu phát chính khi cần thiết. Bộ thu phụ này còn gọi là bộ đánh thức. Mục đích của đồ án là phân tích thiết kế bộ đánh thức tiêu thụ công suất thấp 500μW, hoạt động ở dải tần 2.4 GHz cho mạng cảm biến không dây. Đặc biệt bộ đánh thức này sẽ được thiết kế chế tạo dựa trên nền tảng công nghệ CMOS 130 nm. Đồ án gồm 4 chương:  Chương 1. Lý thuyết chung Trong chương đầu tiên này sẽ trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây như là khái niệm, cấu trúc, ứng dụng. Những cơ sở lý thuyết chung nhất về các linh kiện điện tử cơ bản như tụ điện, điện trở, cuộn cảm, transistor, lý thuyết về công nghệ CMOS, đặc biệt là ảnh hưởng của tín hiệu tần số cao tới đặc tính của các linh kiện cũng sẽ được trình bày trong chương này. Phần cuối cùng sẽ trình bày sơ lược về phần mềm Cadence đã sử dụng trong quá trình phân tích thiết kế.  Chương 2. Phân tích thiết kế bộ đánh thức Chương này sẽ trình bày những phân tích các yếu tố kỹ thuật như: công suất tiêu thụ, độ nhạy, độ ổn định của các loại bộ thu từ đó đề xuất một cấu trúc phù hợp cho bộ đánh thức. Sau đó, những vấn đề sơ lược nhất về các khối của cấu trúc bộ đánh thức đã chọn sẽ được trình bày.  Chương 3. Thiết kế khối khuếch đại tạp âm thấp (LNA).  Chương 4. Thiết kế khối tách biên (ED) Hai chương này sẽ trình bày chi tiết về quá trình phân tích, thiết kế hai khối quan trọng nhất của bộ đánh thức: khối khuếch đại tạp âm thấp và khối tách biên iii bao gồm cả những kết đạt được như: sơ đồ mạch, nguyên lý, các thông đã tối ưu, sơ đồ layout… Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông cũng như bè bạn trong viện, đặc biệt phải kể đến sự tận tâm, nhiệt tình của TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan giáo viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp. Chúng tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan, các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông cùng toàn thể các cá nhân, tập thể đã có những giúp đỡ kịp thời cũng như những ý kiến đóng góp quý báu cùng góp phần hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu mà đề tài đặt ra. iv Tóm tắt đồ án Mạng cảm biến không dây ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quốc phòng, y tế, thương mại. Việc nghiên cứu phát triển và tối ưu mạng cảm biến không dây là yêu cầu cấp thiết của thực tiễn. Một trong những vấn đề cốt lõi khi xây dựng mạng cảm biết không dây là tối ưu công suất tiêu thụ của toàn mạng. Trong nghiên cứu này giải pháp đã đưa ra là: sử dụng bộ đánh thức có công suất tiêu thụ cực thấp, liên tục giám sát kênh truyền và đánh thức bộ truyền thông dữ liệu chính khi cần thiết, nhờ vậy năng lượng tiêu hao của các nút mạng cũng như toàn mạng đã được giảm đáng kể. Tuy nhiên một vấn đề mới đặt ra khi sử dụng bộ đánh thức đó là: cấu trúc của bộ đánh thức phải như thế nào để vừa đảm bảo được chức năng của một bộ thu vừa đáp ứng yêu cầu về năng lượng. Mục đích của đồ án này là phân tích đề xuất một cấu trúc phù hợp cho bộ đánh thức trong mạng cảm biến không dây sử dụng điều chế sóng mang AM ở dải tần 2.4 GHz. Đồng thời ứng dụng công nghệ CMOS 130 nm để thiết kế và chế tạo bộ đánh thức. Trong cấu trúc bộ thu mà chúng tôi đề xuất có sự khác biệt lớn so với so với những cấu trúc truyền thống, đó là sử dụng một khối tách biên thực hiện giải điều chế trực tiếp sóng mang không chuyển qua tần số trung gian tức là không dùng bộ trộn, không dùng vòng khóa pha, đồng nghĩa với việc công suất tiêu thụ được giảm xuống mức tối thiểu. Trên thực tế, chúng tôi đã tiến hành phân tích thiết kế hai khối quan trọng nhất của bộ đánh thức là: khối khuếch đại tạp âm thấp, khối tách biên. Bản thiết kế của cả hai khối này đã đươc đã được hoàn thành với công suất tiêu thụ nhỏ 500 μW, độ nhạy tốt -40dB và độ ổn định cao. v Abstract Wireless sensor networks have been increasingly and widely applied in many application fields such as defense, medical and commercial. The practical application of the wireless sensor network requires people who spent much more time for research and optimizesthis network. One of the main issues when setting- up a wireless network is optimeze th power consumption of the entire network. In this study, we propose an approach to this point: using a wake-up receiver that consumes the extremely low consumption to continuously monitors the channel and wakes up the main tranceiver when necessary. Consequently, the energy consumption of a node as well as entire network will be reduced significantly. However, this poses a new problem when using the wake-up receiver that is: how to the wake-up receiver structure we can design to ensure both the functionality and power consumption requirement are satisfied. The goal of this project is to analyze and propose a structure for the wake-up receiver (of the wireless sensor network) using modulated AM carrier (OOK) at 2.4 GHz range. That base on 130 nm CMOS technology. This structure use a block, called Envelope detector instead of mixers and phase lock loop (PLL) to detect the envelope of input sinal and gives output signal in digital waveform. Envelope detector plays the role of a direct AM demodulator.Carrier is not transferred through intermediate frequency. As The mixer and phase-locked loop are not used, power consumption is reduced significantly. In fact, we have carried out the design and analysis of two blocks that are the most important block in wake_up receiver structure: low noise amplifier block, envelope detector block. The design of both these blocks have already been completed with low power consumption (500 W), good sensitivity (- 40 dB) and high stability. vi Mục lục Lời nói đầu i Tóm tắt đồ án iv Abstract v Mục lục vi Danh sách hình vẽ x Danh sách các bảng biểu xiii Danh sách các từ viết tắt xiv Chương 1. Lý thuyết chung 1 1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1 1.1.1 Khái niệm 1 1.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 1 1.1.3 Vấn đề năng lượng của mạng cảm biến không dây 3 1.1.4 Kỹ thuật truyền dẫn không dây 4 1.2 Ứng dụng công nghệ CMOS trong thiết kế cao tần 7 1.2.1 Điện trở 7 1.2.2 Tụ điện 8 1.2.3 Cuộn cảm 9 1.2.4 Transistor MOSFET 9 1.3 Phần mềm mô phỏng 14 1.3.1 Một số khái niệm cơ bản trên Cadence IC 15 1.3.2 Thiết kế mạch nguyên lý 17 1.3.3 Biểu diễn Cell với Virtuaso Symbol Editing 17 [...]... trúc mạng cảm biến Mạng cảm biến không dây được tạo nên từ bốn thành phần cơ bản: - Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hoặc phân tán - Mạng lưới liên kết các cảm biến (không dây hoặc có dây) - Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu - Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây Hình 1.1 giới thiệu một mô hình cấu trúc mạng cảm biến phổ biến Các cảm biến liên kết... Vấn đề năng lượng của mạng cảm biến không dây Nút mạng được cấu tạo từ bốn thành phần cơ bản: Bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ truyền thông, bộ nguồn Trong đó ba thành phần đầu tiên tiêu thụ năng lượng Công nghệ cảm biến ngày càng phát triển, bộ cảm biến ngày càng được tối ưu về kích thước, hiệu quả hoạt động, năng lượng tiệu thụ có thể được giảm tới mức không đáng kể Trong khi đó, bộ xử lý sử dụng các vi... xuất - Bộ thu trực tiếp 24 2.3.1 Cơ bản về bộ thu trực tiếp 24 2.3.2 Kiến trúc và nguyên lý hoạt động .24 2.4 Yêu cầu thiết kế bộ đánh thức 25 Chương 3 Thiết kế khối LNA 27 3.1 Lựa chọn sơ đồ thiết kế 27 3.2 Nguyên lý hoạt động 28 3.3 Các bước thiết kế .29 3.4 Phân tích và đánh giá kết quả đạt được theo từng bước thiết kế .29... dạng sử dụng sóng vô tuyến Tỉ số tín hiệu trên tạp âm UWB Ultra Wideband Băng thông rộng Wu_Rx Wake-up Receiver Bộ đánh thức xiv Chương 1 Lý thuyết chung 1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1.1.1 Khái niệm Mạng cảm biến không dây (Wireless sensor network) là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại các sự kiện,... công suất, khả năng tính toán, bộ nhớ - Các nút có thể không được đồng nhất toàn hệ thống vì số lượng các nút lớn Hình 1.2: Cấu tạo nút mạng cảm biến Cấu trúc của một nút trong mạng cảm biến được biểu diễn như hình 1.2: - Bộ cảm biến (Sensor) - Bộ xử lý (Processor) - Bộ truyền thông (Transceiver) - Bộ nguồn (Power) - Các phần ứng dụng khác Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4 (Zigbee)... như các viện nghiên cứu cung cấp các công cụ thiết kế như Cadence, Synopsys, Magma Chúng tôi sử dụng công cụ thiết kế của Cadence 14 Chu trình thiết kế IC được thể hiện trong hình 1.15, trong đó phần CADENCE TOOL là những giai đoạn thiết kế mà Cadence có thể hỗ trợ chúng ta thực hiện Hình 1.15: Quy trình thiết kế IC Mục tiêu của đề tài là thiết kế bộ đánh thức hoạt động ở tần số cao 2.4 GHz bằng công... nguyên lý 17 1.3.5 Thiết kế sơ đồ bố trí các lớp của IC 18 1.3.6 Kiểm tra sơ đồ layout theo quy tắc của nhà sản xuất 18 1.3.7 So sánh mạch nguyên lý với sơ đồ layout 18 Chương 2 Phân tích thiết kế bộ đánh thức .19 2.1 Tại sao cần có bộ đánh thức 19 2.2 Phân tích các kiến trúc bộ thu 21 2.2.1 Bộ thu thụ động 21 2.2.2 Bộ thu truyền thống ... 3.4.7 Kết quả đạt được .45 vii 3.4.8 Thiết kế sơ đồ Layout cho khối LNA .46 3.4.9 Hướng tối ưu trong thời gian tới 49 Chương 4 Thiết kế khối tách biên 50 4.1 Nguyên lý giải điều chế sóng AM trực tiếp .50 4.2 Sơ đồ mạch nguyên lý .52 4.3 Nguyên lý hoạt động 53 4.4 Các bước thiết kế .55 4.4.1 Yêu cầu thiết kế 55 4.4.2 Thiết. .. trình thiết kế đã thỏa mãn các yêu cầu về khoảng cách của nhà sản xuất đó là Design Rules Check (DRC) Bộ công cụ này sẽ căn cứ vào tệp dữ liệu Diva của nhà sản xuất và tiến hành kiểm tra lại toàn bộ bản thiết kế Các thông báo lỗi sẽ được đưa ra nếu có Người thiết kế phải kiểm tra và sửa lỗi cho đến khi phần mềm thông báo hoàn thành 1.3.7 So sánh mạch nguyên lý với sơ đồ layout Khi chúng ta thiết kế xong... đặc trưng của từng linh kiện (giống nhau về bản chất nhưng có khác nhau về sơ đồ các lớp, cách quy ước) để thiết kế sơ đồ layout tổng thể của cả IC 1.3.6 Kiểm tra sơ đồ layout theo quy tắc của nhà sản xuất Bộ quy tắc thiết kế trên là bộ quy tắc chuẩn chung nhất được đưa ra cho quá trình thiết kế Tuy nhiên thực tế mỗi nhà sản xuất lại có thể có một số sự điều chỉnh của riêng mình do đặc thù công nghệ . trúc mạng cảm biến Mạng cảm biến không dây được tạo nên từ bốn thành phần cơ bản: - Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hoặc phân tán. - Mạng lưới liên kết các cảm biến (không dây. Bộ đánh thức 1 Chương 1. Lý thuyết chung 1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1.1.1 Khái niệm Mạng cảm biến không dây (Wireless sensor network) là sự kết hợp các khả năng cảm. Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1 1.1.1 Khái niệm 1 1.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 1 1.1.3 Vấn đề năng lượng của mạng cảm biến không dây 3 1.1.4 Kỹ thuật truyền dẫn không dây 4 1.2 Ứng