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

如同今天的許多通用單片機(MCU)已經(jīng)把USB、CAN和以太網(wǎng)作為標準外設集成在芯片內部一樣，越來(lái)越多的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )芯片和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )解決方案也在 向集成SoC 方向發(fā)展，比如第一代產(chǎn)品，Nordic公司nRF905，Chipcon公司cc1010 他們集成了8051兼容的單片機.這些無(wú)線(xiàn)單片機適合一般的點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)的私有網(wǎng)絡(luò )應用，如單一產(chǎn)品的遙控器和抄表裝置等。無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)給智能裝置的 互連互通提供了便捷的途徑，工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )作為面向工業(yè)和家庭自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)也正在向著(zhù)智能，標準和節能方向發(fā)展。

　　典型的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

　　目前在工業(yè)控制和消費電子領(lǐng)域使用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)有ZigBee、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(Wi-Fi)、藍牙(Blutooth)、GPRS通用分組無(wú)線(xiàn) 業(yè)務(wù)、 ISM、IrDA等， 未來(lái)還能有3G、超寬頻(UWB)、無(wú)線(xiàn)USB、Wimax等。 當然還有大量的私有和專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)控制和消費電子裝置中使用，其中ZigBee、GPRS是在目前在國內工業(yè)控制中討論和使用比較多的兩種，藍牙和 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)是在消費電子產(chǎn)品如手機、耳機、打印機、照相機和家庭中小企業(yè)網(wǎng)絡(luò )中廣泛使用的無(wú)線(xiàn)協(xié)議(個(gè)別工業(yè)產(chǎn)品也有應用，如無(wú)線(xiàn)視頻監控和汽車(chē)音響系 統)，當然私有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和產(chǎn)品在工業(yè)也有很多的應用。

　　ZigBee是一個(gè)低功耗、短距離和低速的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，工作在2.4GHz國際免執照的頻率，在IEEE標準上它和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、藍牙同屬 802家族中的無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )， ZigBee是有兩部分組成，物理和鏈路層符合IEEE802.15.4， 網(wǎng)絡(luò )和應用層符合ZigBee聯(lián)盟的規范。ZigBee聯(lián)盟(www.zigbee.org)是在2002年成立的非盈利組織，有包括TI、霍尼威爾、華 為在內兩百多家成員， ZigBee聯(lián)盟致力推廣兼容802.15.4和ZigBee協(xié)議的平臺， 制定網(wǎng)絡(luò )層和應用架構的公共規范，希望在樓宇自動(dòng)化、居家控制、家用電器、工業(yè)自動(dòng)控制和電腦外設等多方面普及ZigBee標準。

　　GPRS是在現有的GSM 網(wǎng)絡(luò )發(fā)展出來(lái)的分組數據承載業(yè)務(wù)，它工作在標準的GSM頻率，由于是一個(gè)分組交換系統，它適合工業(yè)上的突發(fā)，少量的數據傳輸，還因為GSM網(wǎng)絡(luò )覆蓋廣泛， 永遠在線(xiàn)的特點(diǎn)，GPRS特點(diǎn)適合工業(yè)控制中的遠程監控和測量系統。在工業(yè)控制應用中GPRS 芯片一般是以無(wú)線(xiàn)數傳模塊形式出現的，它通過(guò)RS232全雙工接口和單片機連接，軟件上這些模塊都內置了GPRS，PPP和TCP/IP協(xié)議，單片機側通 過(guò)AT指令集向模塊發(fā)出測試，連接和數據收發(fā)指令，GPRS模塊通過(guò)中國移動(dòng)cmnet進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)和其他終端或者服務(wù)器通訊。目前市場(chǎng)常見(jiàn)的模塊有西門(mén)子 G24TC45、TC35i，飛思卡爾G24，索愛(ài)GR47/48， 還有Wavecom 的集成了ARM9核的GPRS SoC模塊WMP50/100。GPRS模塊有區分自帶TCP/IP協(xié)議和不帶協(xié)議兩種，一般來(lái)講，如果是單片機側有嵌入式操作系統和TCP/IP協(xié)議支 持的話(huà)或者應用的要求只是收發(fā)短信和語(yǔ)音功能的話(huà)，可以選擇不帶協(xié)議的模塊。

　　無(wú)線(xiàn)單片機

　　先進(jìn)的SoC技術(shù)正在無(wú)線(xiàn)應用領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。德州儀器收購了Chipcon公司以后發(fā)布的CC2430 是市場(chǎng)上首款SoC的ZigBee單片機， 見(jiàn)圖1，它把協(xié)議棧z-stack集成在芯片內部的閃存里面， 具有穩定可靠的CC2420收發(fā)器，增強性的8051內核，8KRAM，外設有I/O 口，ADC，SPI，UART 和AES128 安全協(xié)處理器，三個(gè)版本分別是32/64/128K的閃存，以128K為例，扣除基本z-stack協(xié)議還有3/4的空間留給應用代碼，即使完整的 ZigBee協(xié)議，還有近1/2的空間留給應用代碼，這樣的無(wú)線(xiàn)單片機除了處理通訊協(xié)議外，還可以完成一些監控和顯示任務(wù)。這樣無(wú)線(xiàn)單片機都支持通過(guò) SPI或者UART與通用單片機或者嵌入式CPU結合。 2008年4月發(fā)表CC2480新一代單片ZibBee認證處理器就展示出和TI MSP430 通用的低功耗單片機結合的例子。

　　工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個(gè)芯片巨頭——飛思卡爾的單片ZigBee處理器MC1321X的方案也非常類(lèi)似，集成了HC08單片機核心， 16/32/64K 閃存，外設有GPIO， I2C和ADC， 軟件是Beestack 協(xié)議，只是最多4K RAM 對于更多的任務(wù)顯得小了些。但是憑借32位單片機Coldfire和系統軟件方面經(jīng)驗和優(yōu)勢， 飛思卡爾在滿(mǎn)足用戶(hù)應用的彈性需求方面作的更有特色，它率先能夠提供從低-中-高各個(gè)層面的解決方案。

　　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。

　　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。