基于集成芯片實現(xiàn)無線通信設(shè)備的設(shè)計

作者：Ryan，Woodings，Deepak，Sharma

你駕車回家按下車庫開門按鈕——車庫門隨之打開、走廊里的主燈點亮、中央空調(diào)打開、等離子電視調(diào)到了你喜歡的頻道，你的各種自動裝置陸續(xù)就位……雖然這一切并非現(xiàn)實，但是憑借當(dāng)今的無線技術(shù)，以上情形的實現(xiàn)絕不是遙不可及的夢想。當(dāng)802.11標(biāo)準(zhǔn)在無線局域網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角的時候，一場新的革命正在線纜置換和傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域悄然進行。這些系統(tǒng)的核心由一個無線通信裝置（通常采用Bluetooth或WirelessUSB技術(shù)）、一個微控制器（通常是8位）以及多種板載外部元件組成。

線纜置換技術(shù)

隨著Zigbee的推出，傳感器網(wǎng)絡(luò)變得愈發(fā)普及了。大多數(shù)Zigbee設(shè)備對功耗極為敏感（溫度調(diào)節(jié)裝置、安全傳感器等），其目標(biāo)電池壽命是以“年”為單位來計算的。Bluetooth專注于實現(xiàn)手機、耳機和PDA之間的特別互操作性，同時還被用作一種面向無線計算機外設(shè)的電纜置換解決方案。PDA和高端手機大多包含一個Bluetooth解決方案。WirelessUSB就簡單的點對點應(yīng)用而言，并不需要采用一種復(fù)雜的聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。以上三種技術(shù)工作在授權(quán)的2.4GHzISM頻段，其優(yōu)勢包括：可在世界各地使用，多通道加上智能編碼方案可提供高帶寬，采用擴頻實現(xiàn)高干擾耐受力和抑制性能，性價比較高。

微控制器集成

隨著微控制器的小型化和廉價化，許多外部元件正在被直接集成到微控制器之中。目前，8位微控制器具有多種封裝尺寸、RAM和ROM容量、串行通信總線以及模擬輸入和輸出方式，從而使得設(shè)計者能夠選擇一款與其設(shè)計要求和成本約束條件相匹配的微控制器。如今，有些微控制器集成了微控制器和嵌入式設(shè)計中常見的所有相關(guān)的、模擬和數(shù)字外圍電路，這種混合信號集成減少了使用的元件數(shù)量，從而極大地改善了系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性，并大幅降低了材料成本。

正確的微控制器與無線通信的融合技術(shù)最終將使得設(shè)計者能夠明顯地縮短開發(fā)時間、元件數(shù)量和系統(tǒng)成本，并改善工作距離、功耗和延遲等指標(biāo)。走“無線”路線可使人們節(jié)省巨額安裝成本，例如如果在一座現(xiàn)有的建筑物內(nèi)放置CO2探測器，采用無線解決方案能夠在數(shù)天之內(nèi)完成全部安裝，而無需破墻或進行昂貴的布線。

不過，在選擇正確的解決方案時必須謹(jǐn)慎而巧妙。以無線技術(shù)為例，首先是決定即將構(gòu)建的系統(tǒng)的種類，是高端消費電子產(chǎn)品（如照明控制系統(tǒng)）還是低端商品（如無線鼠標(biāo)），這將為決策（比如采用單向無線協(xié)議還是雙向無線協(xié)議）提供幫助。其次，無線協(xié)議應(yīng)盡可能地簡單，以造就一種簡易型學(xué)習(xí)曲線和具有適當(dāng)代碼空間的實現(xiàn)方案。

選擇微控制器

下一步的工作是選擇微控制器。首先要做的就是選擇一個集成了無線通信電路的微控制器。此外，還有多個因素需要加以考慮。

（1）微控制器可擴縮性：選擇一個能夠讓您在閃存容量、I/O以及各種模擬和數(shù)字元件方面進行擴縮的微控制器系列。當(dāng)您在應(yīng)用中兼顧溫度檢測和電壓排序時，選擇混合信號陣列不失為明智之舉。

（2）工具箱集成：理想的模式是使無線通信電路成為一個用戶模塊/程序庫，這有望簡化設(shè)計環(huán)境中的無線電通信開發(fā)。設(shè)計者軟件開發(fā)環(huán)境應(yīng)基于GUI，并具有簡單的點擊“n”選項。它應(yīng)該提供采用C語言或匯編語言進行編碼的靈活性，并在設(shè)計的調(diào)試中使用事件觸發(fā)機制和多個斷點。

（3）縮減設(shè)計時間：先進和抽象等級更高的工具箱可以在不需要采用C語言或匯編語言的水平上完成設(shè)計。這將使得設(shè)計者能夠把精力集中在采用一個系統(tǒng)來創(chuàng)建定制解決方案。如果該工具能夠生成數(shù)據(jù)表、電原理圖和材料清單，總設(shè)計周期將從數(shù)周或數(shù)月縮短至幾個小時！

硬件

除了單獨的微控制器和無線電通信芯片之外，分立型多芯片解決方案通常還需要增設(shè)外部元件。這使得設(shè)計的尺寸和成本有所增加。通過采用集成解決方案，設(shè)計方案可以實現(xiàn)極小的尺寸、更低的功耗和成本以及更短的開發(fā)時間。圖1示出了一個具有集成2.4GHz無線電通信電路的8位微控制器的方框圖。我們注意到，由于兩塊芯片實現(xiàn)了集成，因此微控制器和無線電通信電路之間的接口是全內(nèi)置型的，從而減少了所需的外接引腳數(shù)量，或者可以把外接引腳解放出來而使之成為通用I/O引腳（而不是供無線電通信接口專用）。

圖1具有集成無線電通信電路的微控制器方框圖

固件

集成解決方案能夠利用微控制器與無線電通信電路之間的緊密耦合來實現(xiàn)一種用于無線接入的易用型固件程序庫。有些解決方案甚至提供了一個完整的協(xié)議棧，用于在設(shè)備之間實現(xiàn)完善的雙向鏈接。通過提供一個專為特定的無線電通信電路和微控制器而定制的完整協(xié)議棧，這些解決方案使得可以輕而易舉地在兩個或更多的設(shè)備之間建立連接。采用一個簡單的API來與無線電通信電路相配合。在建立了連接之后，協(xié)議將把信息包發(fā)送至目標(biāo)設(shè)備，并在檢測到錯誤的情況下重新發(fā)送信息包。如果失去了與目標(biāo)設(shè)備的連接，協(xié)議將重新建立該連接，或者找到另一條通往目標(biāo)設(shè)備的路線。圖2給出了一個在無需增加設(shè)計工作量的情況下處理無線連接的建立、提供可靠的信息包傳送和抗干擾性能的協(xié)議狀態(tài)機實例。這使得設(shè)計者能夠把無線鏈接作為一個有線串行總線（比如SPI、UART或I2C）來處理。

圖2協(xié)議狀態(tài)機實例

系統(tǒng)

隨著無線電通信電路與微控制器的集成，制作可放置于住宅的每間屋子里的小型溫度傳感器、讓每個傳感器定期將其所在位置的溫度報告給主溫度調(diào)節(jié)裝置（以實現(xiàn)更加精確的居室供暖和空氣調(diào)節(jié)控制）如今已是一件微不足道的小事情。

責(zé)任編輯：gt