摘要： 本文詳細(xì)探討了單片機(jī)在工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的具體應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī)(MCU)；工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；SoC

如同今天的許多通用單片機(jī)(MCU)已經(jīng)把USB、CAN和以太網(wǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集成在芯片內(nèi)部一樣，越來(lái)越多的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片和無(wú)線網(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(jī).這些無(wú)線單片機(jī)適合一般的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的私有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如單一產(chǎn)品的遙控器和抄表裝置等。無(wú)線通訊技術(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)也正在向著智能，標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能方向發(fā)展。

典型的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

目前在工業(yè)控制和消費(fèi)電子領(lǐng)域使用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有ZigBee、無(wú)線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、藍(lán)牙(Blutooth)、GPRS通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)、 ISM、IrDA等， 未來(lái)還能有3G、超寬頻(UWB)、無(wú)線USB、Wimax等。 當(dāng)然還有大量的私有和專用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制和消費(fèi)電子裝置中使用，其中ZigBee、GPRS是在目前在國(guó)內(nèi)工業(yè)控制中討論和使用比較多的兩種，藍(lán)牙和無(wú)線局域網(wǎng)是在消費(fèi)電子產(chǎn)品如手機(jī)、耳機(jī)、打印機(jī)、照相機(jī)和家庭中小企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的無(wú)線協(xié)議(個(gè)別工業(yè)產(chǎn)品也有應(yīng)用，如無(wú)線視頻監(jiān)控和汽車音響系統(tǒng))，當(dāng)然私有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)品在工業(yè)也有很多的應(yīng)用。

ZigBee是一個(gè)低功耗、短距離和低速的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作在2.4GHz國(guó)際免執(zhí)照的頻率，在IEEE標(biāo)準(zhǔn)上它和無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙同屬802家族中的無(wú)線個(gè)人區(qū)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(yīng)用層符合ZigBee聯(lián)盟的規(guī)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(nèi)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(tái)， 制定網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用架構(gòu)的公共規(guī)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(shè)等多方面普及ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。

GPRS是在現(xiàn)有的GSM 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展出來(lái)的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，它工作在標(biāo)準(zhǔn)的GSM頻率，由于是一個(gè)分組交換系統(tǒng)，它適合工業(yè)上的突發(fā)，少量的數(shù)據(jù)傳輸，還因?yàn)镚SM網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣泛，永遠(yuǎn)在線的特點(diǎn)，GPRS特點(diǎn)適合工業(yè)控制中的遠(yuǎn)程監(jiān)控和測(cè)量系統(tǒng)。在工業(yè)控制應(yīng)用中GPRS 芯片一般是以無(wú)線數(shù)傳模塊形式出現(xiàn)的，它通過(guò)RS232全雙工接口和單片機(jī)連接，軟件上這些模塊都內(nèi)置了GPRS，PPP和TCP/IP協(xié)議，單片機(jī)側(cè)通過(guò)AT指令集向模塊發(fā)出測(cè)試，連接和數(shù)據(jù)收發(fā)指令，GPRS模塊通過(guò)中國(guó)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(qū)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(jī)側(cè)有嵌入式操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議支持的話或者應(yīng)用的要求只是收發(fā)短信和語(yǔ)音功能的話，可以選擇不帶協(xié)議的模塊。

無(wú)線單片機(jī)

先進(jìn)的SoC技術(shù)正在無(wú)線應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。德州儀器收購(gòu)了Chipcon公司以后發(fā)布的CC2430 是市場(chǎng)上首款SoC的ZigBee單片機(jī)， 見(jiàn)圖1，它把協(xié)議棧z-stack集成在芯片內(nèi)部的閃存里面， 具有穩(wěn)定可靠的CC2420收發(fā)器，增強(qiáng)性的8051內(nèi)核，8KRAM，外設(shè)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(yīng)用代碼，即使完整的ZigBee協(xié)議，還有近1/2的空間留給應(yīng)用代碼，這樣的無(wú)線單片機(jī)除了處理通訊協(xié)議外，還可以完成一些監(jiān)控和顯示任務(wù)。這樣無(wú)線單片機(jī)都支持通過(guò)SPI或者UART與通用單片機(jī)或者嵌入式CPU結(jié)合。 2008年4月發(fā)表CC2480新一代單片ZibBee認(rèn)證處理器就展示出和TI MSP430 通用的低功耗單片機(jī)結(jié)合的例子。

圖1 CC2430應(yīng)用電路
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的方案也非常類似，集成了HC08單片機(jī)核心， 16/32/64K 閃存，外設(shè)有GPIO， I2C和ADC， 軟件是Beestack 協(xié)議，只是最多4K RAM 對(duì)于更多的任務(wù)顯得小了些。但是憑借32位單片機(jī)Coldfire和系統(tǒng)軟件方面經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)勢(shì)， 飛思卡爾在滿足用戶應(yīng)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，見(jiàn)圖2。

圖2 飛思卡爾ZigBee解決方案
以Wavecom 為代表的GPRS SoC無(wú)線單片機(jī)同時(shí)在演繹著GPRS無(wú)線處理器的革命， 如WMP50是一個(gè)帶有四頻GSM網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通訊工業(yè)處理器，內(nèi)置了ARM9 CPU ，支持128K 閃存，128K RAM ， 外設(shè)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(nèi)部有一個(gè)可強(qiáng)制的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它支持應(yīng)用任務(wù)工作在比GPRS任務(wù)高優(yōu)先級(jí)的方式，即能保證控制響應(yīng)要求。 總之無(wú)論是GPRS無(wú)線單片機(jī)，還是ZigBee單片機(jī)都在朝著更低成本，更標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)，這個(gè)價(jià)格是包括了JN513932位無(wú)線單片機(jī)PCB天線設(shè)計(jì)和其他輔助器件的BOM成本，據(jù)稱RF性能能夠達(dá)到1公里的距離。

無(wú)線單片系統(tǒng)

無(wú)線單片機(jī)配合C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)調(diào)試工具可以勝任一個(gè)傳輸或者接收模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，比如使用CC2430，IAR公司 embedded workbench (EW)編譯調(diào)試工具和TI公司z-stack的simpleAPI 設(shè)計(jì)的一個(gè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，用戶可以使用針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的TinyOS，或者uc/OS-II，或者不使用嵌入式操作系統(tǒng)，再比如無(wú)線遠(yuǎn)程抄表終端，你可以使用MSP430或者CYGNAL C8051或者HC08單片機(jī)和一顆無(wú)線數(shù)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(nèi)置了TCP/IP和GPRS協(xié)議，通過(guò)使用AT指令的測(cè)試，接入互聯(lián)網(wǎng)，連接服務(wù)器，收發(fā)數(shù)據(jù)的操作完成GPRS無(wú)線通訊的任務(wù)。單片機(jī)通過(guò)傳感器完成電表數(shù)據(jù)采集任務(wù)。但是如果你計(jì)劃設(shè)計(jì)一個(gè)智能家居的通訊節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，這樣的無(wú)線單片機(jī)就不能夠滿足需求了，因?yàn)檫@樣的節(jié)點(diǎn)除了它們是通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集室內(nèi)環(huán)境 (如溫度，濕度)，電、水和氣三表的數(shù)據(jù)，家用電器開(kāi)關(guān)和家庭安全報(bào)警外， 另外一個(gè)很重要的功能是這個(gè)節(jié)點(diǎn)還應(yīng)該通過(guò)有線以太網(wǎng)絡(luò)，或者無(wú)線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(jié)點(diǎn)、家庭服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)(小區(qū)寬帶)路由器組成一個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。