單片機在工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的具體應用

　　以Wavecom 為代表的GPRS SoC無(wú)線(xiàn)單片機同時(shí)在演繹著(zhù)GPRS無(wú)線(xiàn)處理器的革命， 如WMP50是一個(gè)帶有四頻GSM網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)通訊工業(yè)處理器，內置了ARM9 CPU ，支持128K 閃存，128K RAM ， 外設有11個(gè)GPIO，I2C，SPI，5X5鍵盤(pán)，2個(gè)UART，USB 2.0 并口，ADC，DAC 等。WMP50內部有一個(gè)可強制的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，它支持應用任務(wù)工作在比GPRS任務(wù)高優(yōu)先級的方式，即能保證控制響應要求。 總之無(wú)論是GPRS無(wú)線(xiàn)單片機，還是ZigBee單片機都在朝著(zhù)更低成本，更標準化和更高性能的方向發(fā)展。2007年4月，后起之秀jennic 推出了5美元zigbee/IEEE802.15.4參考設計，這個(gè)價(jià)格是包括了JN513932位無(wú)線(xiàn)單片機PCB天線(xiàn)設計和其他輔助器件的BOM成 本，據稱(chēng)RF性能能夠達到1公里的距離。

　　無(wú)線(xiàn)單片系統

　　無(wú)線(xiàn)單片機配合C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)調試工具可以勝任一個(gè)傳輸或者接收模塊的系統設計，比如使用CC2430，IAR公司 embedded workbench (EW)編譯調試工具和TI公司z-stack的simpleAPI 設計的一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)，用戶(hù)可以使用針對無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的TinyOS，或者uc/OS-II，或者不使用嵌入式操作系統，再比如無(wú)線(xiàn)遠程抄表終端，你可 以使用MSP430或者CYGNAL C8051或者HC08單片機和一顆無(wú)線(xiàn)數傳模塊，如G24，開(kāi)發(fā)工具可以使用KEIL IDE 或者IAR EW430/8051，或者是codewarror， G24內置了TCP/IP和GPRS協(xié)議，通過(guò)使用AT指令的測試，接入互聯(lián)網(wǎng)，連接服務(wù)器，收發(fā)數據的操作完成GPRS無(wú)線(xiàn)通訊的任務(wù)。單片機通過(guò)傳感 器完成電表數據采集任務(wù)。但是如果你計劃設計一個(gè)智能家居的通訊節點(diǎn)的時(shí)候，這樣的無(wú)線(xiàn)單片機就不能夠滿(mǎn)足需求了，因為這樣的節點(diǎn)除了它們是通過(guò) ZigBee網(wǎng)絡(luò )采集室內環(huán)境 (如溫度，濕度)，電、水和氣三表的數據，家用電器開(kāi)關(guān)和家庭安全報警外， 另外一個(gè)很重要的功能是這個(gè)節點(diǎn)還應該通過(guò)有線(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò )，或者無(wú)線(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )連接家庭服務(wù)器，這個(gè)服務(wù)器是家庭PC、電視、錄像，音響的核心，智能家 居的通訊節點(diǎn)、家庭服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)(小區寬帶)路由器組成一個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò )系統。

　　要設計實(shí)現這樣的通訊節點(diǎn)是需要一定的系統軟件支撐和一定開(kāi)銷(xiāo)的處理器能力，因為它是工業(yè)裝置， 它的可靠性、安全性、功耗和易操作要求就比家用電器嚴格得多，目前看到的設計方法有這樣兩種， 一種是使用一個(gè)大規模的嵌入式操作系統，如Linux、WinCE，它們有良好的網(wǎng)絡(luò )和設備驅動(dòng)支持能力，代價(jià)是需要一個(gè)ARM9 以上MMU嵌入式處理器，32M以上存儲空間和32M以上執行空間(WinCE要求可能還更高)，比如業(yè)內領(lǐng)先的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )平臺公司Crossbow的 imote2 (匯聚節點(diǎn))使用Marvell 416 MHz PXA271 處理器和一個(gè)TI 公司ZigBee收發(fā)器，這樣的設計好處是明顯的，但是隨即可能的問(wèn)題是如何控制好系統的功耗和可靠性，工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )多數安放在一個(gè)無(wú)人值守場(chǎng)地，還可能 是一個(gè)惡劣自然環(huán)境，無(wú)論是開(kāi)源Linux，商業(yè)嵌入式Linux，還是WinCE電源管理技術(shù)都還不很完善，系統引導和恢復的功能和時(shí)間都還不能完全滿(mǎn) 足工業(yè)控制應用的要求。取而代之的另外一種方式是目前多家MCU半導體公司推薦的方案;硬件是ST、 NXP 的ARM 單片機和 Freescale coldfire 單片機，比如MCF52335， 系統軟件是Interniche 公司和Freescale合作的Nichelite coldfire TCP/IP Lite 一個(gè)針對coldfire免費的輕量級的嵌入式TCP/IP 軟件，它包含了TCP，UDP，ICMP，DHCP(用戶(hù)端)，TFTP和一個(gè)簡(jiǎn)單的非搶占的RTOS(www.freertos.com)，大約只有 20K的代碼，加上Freescale的Web server ，Flash 文件系統， 對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò )匯聚點(diǎn)應用是可以滿(mǎn)足的了。當然如果這些免費的軟件模塊還不能滿(mǎn)足應用的要求，Interniche 還有PPP，SNMP，DHCP(服務(wù)器)，FTP服務(wù)器，IPSEC，RTP等模塊選擇，甚至升級到全功能版本的nichestack。ST ARM、NXP LPC單片機 也有基于Nichelite類(lèi)似的解決方案。 這個(gè)方案的好處是MCU可以使用低主頻的ARM/coldfire Flash 單片機，起到降低功耗和增加可靠性作用，系統軟件由半導體公司免費授權給用戶(hù)，這樣用戶(hù)只要購買(mǎi)常規的單片機開(kāi)發(fā)工具，如IAR EW，ARM MDK，Codewarrior就可以完成一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )通訊節點(diǎn)的設計任務(wù)，開(kāi)發(fā)難度和產(chǎn)品整體核算成本要低。

　　更近一步的看，傳統的單片機正在大踏步的進(jìn)入工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域的各個(gè)方面，除了前面的SoC單芯片無(wú)線(xiàn)單片機外，比如最近TI 的SimplicTI ，一種TI私有的射頻網(wǎng)絡(luò )，也可以說(shuō)是一種簡(jiǎn)化的ZigBee網(wǎng)絡(luò )方案。比較起 ZigBee協(xié)議，SimplicTI支持點(diǎn)-點(diǎn)和星型網(wǎng)絡(luò )，代碼只有4K，結構和使用都很簡(jiǎn)單，一顆TI MSP430 16位單片機加上RFCC1100/CC2500就可以組成一個(gè)煙感，瓦斯泄漏報警和抄表節點(diǎn)設計， SimplicTI 的開(kāi)發(fā)目前還是一個(gè)典型的單片系統，使用IAR EW430工具，RF 協(xié)議軟件和庫程序都是由TI 免費提供源代碼，SimplicTI的API 只有6個(gè)函數;初始化，連接和監聽(tīng)，發(fā)送和接受，配置，配置參數簡(jiǎn)單明了，包括有頻率，安全令牌，網(wǎng)絡(luò )拓撲(點(diǎn)-點(diǎn)、星型)，電源管理和內存分配。瑞典 IAR公司最近移植Powerpack RTOS 和支持MSP430單片機的開(kāi)發(fā)，這使得在RTOS支持下430無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)設計功能可以再復雜些，設計的彈性也大。圖3是SimplicTI開(kāi)發(fā) 板，chipcon radio interface 你可以安裝CC1100/2500器件。TI資料顯示，未來(lái)SimplicTI 還支持CC2430這樣的ZigBee無(wú)線(xiàn)單片機 升級CC2430支持SimplicTI還意味著(zhù)TI對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )支持更加寬泛和靈活，升級換代方便了。

　　圖3 SimplicTI開(kāi)發(fā)板

　　結語(yǔ)

　　無(wú)線(xiàn)技術(shù)是未來(lái)嵌入式系統發(fā)展最快速的領(lǐng)域之一，單片機是嵌入式和工業(yè)控制系統最傳統的核心部件，SoC和微電子制造工藝的發(fā)展推動(dòng)單片機的變 革，無(wú)線(xiàn)技術(shù)和應用是單片機發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，是包括TI，Freescale，ST，NXP，Atmel，Microchip 這些工業(yè)芯片半導體巨頭和專(zhuān)業(yè)無(wú)線(xiàn)公司Ember，Jennic，Nordic角琢的重要舞臺。 無(wú)論是把射頻器件和單片機核心集成在一起的SoC無(wú)線(xiàn)單片機，還是單片機加上射頻器件或者射頻單片機的無(wú)線(xiàn)單片系統，都將嵌入在在未來(lái)形形色色電子設備 里。工業(yè)控制系統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )由于其行業(yè)的特殊性，決定選擇一種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的因素很多，如通訊范圍、環(huán)境干擾、連接方式、速率和功耗等，但會(huì )逐漸的從私有 模式向通用方向邁進(jìn)。正如今天我們看到的以太網(wǎng)和CAN總線(xiàn)是新一帶工業(yè)設計的主流網(wǎng)絡(luò )一樣，在工業(yè)控制系統里采用標準無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，比如今天我們能夠看到的 ZigBee，GPRS，Wi-Fi， Blutooth的應用將越來(lái)越多，未來(lái)將是大勢所趨。

　　但是，需要指出的是,在某些特殊的環(huán)境和條件下，短波和衛星通訊方式依然在工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中使用，比如此次四川汶川地震后水情自動(dòng)測報系統,就是 由北斗衛星，衛星終端，傳輸設備和太陽(yáng)能供電裝置組成，實(shí)現了在地震災區這樣基本通訊方式無(wú)法保證的環(huán)境下，遠程工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備正常工作。