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摘要： 本文詳細探討了單片機在工業無線網絡中的具體應用。
關鍵詞： 單片機(MCU)；工業無線網絡；ZigBee；SoC
如同今天的許多通用單片機(MCU)已經把USB、CAN和以太網作為標準外設集成在芯片內部一樣，越來越多的無線網絡芯片和無線網絡解決方案也在向集成SoC 方向發展，比如第一代產品，Nordic公司nRF905，Chipcon公司cc1010 他們集成了8051兼容的單片機.這些無線單片機適合一般的點對點和點對多點的私有網絡應用，如單一產品的遙控器和抄表裝置等。無線通訊技術給智能裝置的互連互通提供了便捷的途徑，工業無線網絡作為面向工業和家庭自動化的網絡技術也正在向著智能，標準和節能方向發展。
典型的工業無線網絡
目前在工業控制和消費電子領域使用的無線網絡技術有ZigBee、無線局域網(Wi-Fi)、藍牙(Blutooth)、GPRS通用分組無線業務、 ISM、IrDA等， 未來還能有3G、超寬頻(UWB)、無線USB、Wimax等。 當然還有大量的私有和專用無線網絡在工業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控制中討論和使用比較多的兩種，藍牙和無線局域網是在消費電子產品如手機、耳機、打印機、照相機和家庭中小企業網絡中廣泛使用的無線協議(個別工業產品也有應用，如無線視頻監控和汽車音響系統)，當然私有無線網絡技術和產品在工業也有很多的應用。
ZigBee是一個低功耗、短距離和低速的無線網絡技術，工作在2.4GHz國際免執照的頻率，在IEEE標準上它和無線局域網、藍牙同屬802家族中的無線個人區域網絡， ZigBee是有兩部分組成，物理和鏈路層符合IEEE802.15.4， 網絡和應用層符合ZigBee聯盟的規范。ZigBee聯盟(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聯盟致力推廣兼容802.15.4和ZigBee協議的平臺， 制定網絡層和應用架構的公共規范，希望在樓宇自動化、居家控制、家用電器、工業自動控制和電腦外設等多方面普及ZigBee標準。
GPRS是在現有的GSM 網絡發展出來的分組數據承載業務，它工作在標準的GSM頻率，由于是一個分組交換系統，它適合工業上的突發，少量的數據傳輸，還因為GSM網絡覆蓋廣泛，永遠在線的特點，GPRS特點適合工業控制中的遠程監控和測量系統。在工業控制應用中GPRS 芯片一般是以無線數傳模塊形式出現的，它通過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協議，單片機側通過AT指令集向模塊發出測試，連接和數據收發指令，GPRS模塊通過中國移動cmnet進入互聯網和其他終端或者服務器通訊。目前市場常見的模塊有西門子G24TC45、TC35i，飛思卡爾G24，索愛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協議和不帶協議兩種，一般來講，如果是單片機側有嵌入式操作系統和TCP/IP協議支持的話或者應用的要求只是收發短信和語音功能的話，可以選擇不帶協議的模塊。
無線單片機
先進的SoC技術正在無線應用領域發揮重要的作用。德州儀器收購了Chipcon公司以后發布的CC2430 是市場上首款SoC的ZigBee單片機， 見圖1，它把協議棧z-stack集成在芯片內部的閃存里面， 具有穩定可靠的CC2420收發器，增強性的8051內核，8KRAM，外設有I/O 口，ADC，SPI，UART 和AES128 安全協處理器，三個版本分別是32/64/128K的閃存，以128K為例，扣除基本z-stack協議還有3/4的空間留給應用代碼，即使完整的ZigBee協議，還有近1/2的空間留給應用代碼，這樣的無線單片機除了處理通訊協議外，還可以完成一些監控和顯示任務。這樣無線單片機都支持通過SPI或者UART與通用單片機或者嵌入式CPU結合。 2008年4月發表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。
圖1 CC2430應用電路
工業控制領域的另一個芯片巨頭——飛思卡爾的單片ZigBee處理器MC1321X的方案也非常類似，集成了HC08單片機核心， 16/32/64K 閃存，外設有GPIO， I2C和ADC， 軟件是Beestack 協議，只是最多4K RAM 對于更多的任務顯得小了些。但是憑借32位單片機Coldfire和系統軟件方面經驗和優勢， 飛思卡爾在滿足用戶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-高各個層面的解決方案，見圖2。
圖2 飛思卡爾ZigBee解決方案
以Wavecom 為代表的GPRS SoC無線單片機同時在演繹著GPRS無線處理器的革命， 如WMP50是一個帶有四頻GSM網絡無線通訊工業處理器，內置了ARM9 CPU ，支持128K 閃存，128K RAM ， 外設有11個GPIO，I2C，SPI，5X5鍵盤，2個UART，USB 2.0 并口，ADC，DAC 等。WMP50內部有一個可強制的實時多任務操作系統，它支持應用任務工作在比GPRS任務高優先級的方式，即能保證控制響應要求。 總之無論是GPRS無線單片機，還是ZigBee單片機都在朝著更低成本，更標準化和更高性能的方向發展。2007年4月，后起之秀jennic 推出了5美元zigbee/IEEE802.15.4參考設計，這個價格是包括了JN513932位無線單片機PCB天線設計和其他輔助器件的BOM成本，據稱RF性能能夠達到1公里的距離。
無線單片系統
無線單片機配合C語言開發調試工具可以勝任一個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 設計的一個無線傳感節點，用戶可以使用針對無線傳感網絡的TinyOS，或者uc/OS-II，或者不使用嵌入式操作系統，再比如無線遠程抄表終端，你可以使用MSP430或者CYGNAL C8051或者HC08單片機和一顆無線數傳模塊，如G24，開發工具可以使用KEIL IDE 或者IAR EW430/8051，或者是codewarror， G24內置了TCP/IP和GPRS協議，通過使用AT指令的測試，接入互聯網，連接服務器，收發數據的操作完成GPRS無線通訊的任務。單片機通過傳感器完成電表數據采集任務。但是如果你計劃設計一個智能家居的通訊節點的時候，這樣的無線單片機就不能夠滿足需求了，因為這樣的節點除了它們是通過ZigBee網絡采集室內環境 (如溫度，濕度)，電、水和氣三表的數據，家用電器開關和家庭安全報警外， 另外一個很重要的功能是這個節點還應該通過有線以太網絡，或者無線Wi-Fi網絡連接家庭服務器，這個服務器是家庭PC、電視、錄像，音響的核心，智能家居的通訊節點、家庭服務器和互聯網(小區寬帶)路由器組成一個家庭網絡系統。
要設計實現這樣的通訊節點是需要一定的系統軟件支撐和一定開銷的處理器能力，因為它是工業裝置， 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， 一種是使用一個大規模的嵌入式操作系統，如Linux、WinCE，它們有良好的網絡和設備驅動支持能力，代價是需要一個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)，比如業內領先的無線傳感網絡平臺公司Crossbow的imote2 (匯聚節點)使用Marvell 416 MHz PXA271 處理器和一個TI 公司ZigBee收發器，這樣的設計好處是明顯的，但是隨即可能的問題是如何控制好系統的功耗和可靠性，工業無線網絡多數安放在一個無人值守場地，還可能是一個惡劣自然環境，無論是開源Linux，商業嵌入式Linux，還是WinCE電源管理技術都還不很完善，系統引導和恢復的功能和時間都還不能完全滿足工業控制應用的要求。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(用戶端)，TFTP和一個簡單的非搶占的RTOS(www.freertos.com)，大約只有20K的代碼，加上Freescale的Web server ，Flash 文件系統， 對于工業網絡匯聚點應用是可以滿足的了。當然如果這些免費的軟件模塊還不能滿足應用的要求，Interniche 還有PPP，SNMP，DHCP(服務器)，FTP服務器，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類似的解決方案。 這個方案的好處是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，這樣用戶只要購買常規的單片機開發工具，如IAR EW，ARM MDK，Codewarrior就可以完成一個工業網絡通訊節點的設計任務，開發難度和產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入工業無線網絡領域的各個方面，除了前面的SoC單芯片無線單片機外，比如最近TI 的SimplicTI ，一種TI私有的射頻網絡，也可以說是一種簡化的ZigBee網絡方案。比較起 ZigBee協議，SimplicTI支持點－點和星型網絡，代碼只有4K，結構和使用都很簡單，一顆TI MSP430 16位單片機加上RFCC1100/CC2500就可以組成一個煙感，瓦斯泄漏報警和抄表節點設計， SimplicTI 的開發目前還是一個典型的單片系統，使用IAR EW430工具，RF 協議軟件和庫程序都是由TI 免費提供源代碼，SimplicTI的API 只有6個函數；初始化，連接和監聽，發送和接受，配置，配置參數簡單明了，包括有頻率，安全令牌，網絡拓撲(點－點、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單片機的開發，這使得在RTOS支持下430無線節點設計功能可以再復雜些，設計的彈性也大。圖3是SimplicTI開發板，chipcon radio interface 你可以安裝CC1100/2500器件。TI資料顯示，未來SimplicTI 還支持CC2430這樣的ZigBee無線單片機 升級CC2430支持SimplicTI還意味著TI對無線網絡支持更加寬泛和靈活，升級換代方便了。
圖3 SimplicTI開發板
結語
無線技術是未來嵌入式系統發展最快速的領域之一，單片機是嵌入式和工業控制系統最傳統的核心部件，SoC和微電子制造工藝的發展推動單片機的變革，無線技術和應用是單片機發展的一個熱點，是包括TI，Freescale，ST，NXP，Atmel，Microchip 這些工業芯片半導體巨頭和專業無線公司Ember，Jennic，Nordic角琢的重要舞臺。 無論是把射頻器件和單片機核心集成在一起的SoC無線單片機，還是單片機加上射頻器件或者射頻單片機的無線單片系統，都將嵌入在在未來形形色色電子設備里。工業控制系統的無線網絡由于其行業的特殊性，決定選擇一種無線網絡技術的因素很多，如通訊范圍、環境干擾、連接方式、速率和功耗等，但會逐漸的從私有模式向通用方向邁進。正如今天我們看到的以太網和CAN總線是新一帶工業設計的主流網絡一樣，在工業控制系統里采用標準無線網絡，比如今天我們能夠看到的ZigBee，GPRS，Wi-Fi， Blutooth的應用將越來越多，未來將是大勢所趨。
但是，需要指出的是,在某些特殊的環境和條件下，短波和衛星通訊方式依然在工業無線網絡中使用，比如此次四川汶川地震后水情自動測報系統,就是由北斗衛星，衛星終端，傳輸設備和太陽能供電裝置組成，實現了在地震災區這樣基本通訊方式無法保證的環境下，遠程工業無線網絡設備正常工作。
參考文獻：
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2.TI 公司，2008TI 亞洲技術研討會資料
3. http://www.xbow.com/
4. rudan bettelheim 《connect to anytime ，anywhere， intro freescale Ethernet solution》FTF 2007 5. victor kowong《A overview of freescale zigbee and ieee 802.15.4 platform》FTF 2007
6. 單片機與嵌入式系統雜志社，2007全國第7屆嵌入式系統和單片機會議論文集
7. www.iar.com
工商網監
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