單片機和工業(yè)無線網(wǎng)絡

摘要： 本文詳細探討了單片機在工業(yè)無線網(wǎng)絡中的具體應用。
關鍵詞： 單片機(MCU)；工業(yè)無線網(wǎng)絡；ZigBee；SoC

　　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，越來越多的無線網(wǎng)絡芯片和無線網(wǎng)絡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.這些無線單片機適合一般的點對點和點對多點的私有網(wǎng)絡應用，如單一產(chǎn)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(yè)無線網(wǎng)絡作為面向工業(yè)和家庭自動化的網(wǎng)絡技術也正在向著智能，標準和節(jié)能方向發(fā)展。

典型的工業(yè)無線網(wǎng)絡

　　目前在工業(yè)控制和消費電子領域使用的無線網(wǎng)絡技術有ZigBee、無線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、藍牙(Blutooth)、GPRS通用分組無線業(yè)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(wǎng)絡在工業(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，藍牙和無線局域網(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)絡中廣泛使用的無線協(xié)議(個別工業(yè)產(chǎn)品也有應用，如無線視頻監(jiān)控和汽車音響系統(tǒng))，當然私有無線網(wǎng)絡技術和產(chǎn)品在工業(yè)也有很多的應用。

　　ZigBee是一個低功耗、短距離和低速的無線網(wǎng)絡技術，工作在2.4GHz國際免執(zhí)照的頻率，在IEEE標準上它和無線局域網(wǎng)、藍牙同屬802家族中的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡， ZigBee是有兩部分組成，物理和鏈路層符合IEEE802.15.4， 網(wǎng)絡和應用層符合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)絡層和應用架構的公共規(guī)范，希望在樓宇自動化、居家控制、家用電器、工業(yè)自動控制和電腦外設等多方面普及ZigBee標準。

　　GPRS是在現(xiàn)有的GSM 網(wǎng)絡發(fā)展出來的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務，它工作在標準的GSM頻率，由于是一個分組交換系統(tǒng)，它適合工業(yè)上的突發(fā)，少量的數(shù)據(jù)傳輸，還因為GSM網(wǎng)絡覆蓋廣泛，永遠在線的特點，GPRS特點適合工業(yè)控制中的遠程監(jiān)控和測量系統(tǒng)。在工業(yè)控制應用中GPRS 芯片一般是以無線數(shù)傳模塊形式出現(xiàn)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(xié)議，單片機側通過AT指令集向模塊發(fā)出測試，連接和數(shù)據(jù)收發(fā)指令，GPRS模塊通過中國移動cmnet進入互聯(lián)網(wǎng)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(qū)分自帶TCP/IP協(xié)議和不帶協(xié)議兩種，一般來講，如果是單片機側有嵌入式操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議支持的話或者應用的要求只是收發(fā)短信和語音功能的話，可以選擇不帶協(xié)議的模塊。

無線單片機

　　先進的SoC技術正在無線應用領域發(fā)揮重要的作用。德州儀器收購了Chipcon公司以后發(fā)布的CC2430 是市場上首款SoC的ZigBee單片機， 見圖1，它把協(xié)議棧z-stack集成在芯片內部的閃存里面， 具有穩(wěn)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，這樣的無線單片機除了處理通訊協(xié)議外，還可以完成一些監(jiān)控和顯示任務。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(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。

圖1 CC2430應用電路

　　工業(yè)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(xié)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(tǒng)軟件方面經(jīng)驗和優(yōu)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(wǎng)絡無線通訊工業(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(tǒng)，它支持應用任務工作在比GPRS任務高優(yōu)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(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(jù)稱RF性能能夠達到1公里的距離。

無線單片系統(tǒng)

　　無線單片機配合C語言開發(fā)調試工具可以勝任一個傳輸或者接收模塊的系統(tǒng)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(jié)點，用戶可以使用針對無線傳感網(wǎng)絡的TinyOS，或者uc/OS-II，或者不使用嵌入式操作系統(tǒng)，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(shù)傳模塊，如G24，開發(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，通過使用AT指令的測試，接入互聯(lián)網(wǎng)，連接服務器，收發(fā)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集任務。但是如果你計劃設計一個智能家居的通訊節(jié)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(jié)點除了它們是通過ZigBee網(wǎng)絡采集室內環(huán)境 (如溫度，濕度)，電、水和氣三表的數(shù)據(jù)，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(jié)點還應該通過有線以太網(wǎng)絡，或者無線Wi-Fi網(wǎng)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(jié)點、家庭服務器和互聯(lián)網(wǎng)(小區(qū)寬帶)路由器組成一個家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)。

　　要設計實現(xiàn)這樣的通訊節(jié)點是需要一定的系統(tǒng)軟件支撐和一定開銷的處理器能力，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， 一種是使用一個大規(guī)模的嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux、WinCE，它們有良好的網(wǎng)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(zhí)行空間(WinCE要求可能還更高)，比如業(yè)內領先的無線傳感網(wǎng)絡平臺公司Crossbow的imote2 (匯聚節(jié)點)使用Marvell 416 MHz  PXA271 處理器和一個TI 公司ZigBee收發(fā)器，這樣的設計好處是明顯的，但是隨即可能的問題是如何控制好系統(tǒng)的功耗和可靠性，工業(yè)無線網(wǎng)絡多數(shù)安放在一個無人值守場地，還可能是一個惡劣自然環(huán)境，無論是開源Linux，商業(yè)嵌入式Linux，還是WinCE電源管理技術都還不很完善，系統(tǒng)引導和恢復的功能和時間都還不能完全滿足工業(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(tǒng)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 ，F(xiàn)lash 文件系統(tǒng)， 對于工業(yè)網(wǎng)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)，F(xiàn)TP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(tǒng)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(guī)的單片機開發(fā)工具，如IAR EW，ARM MDK，Codewarrior就可以完成一個工業(yè)網(wǎng)絡通訊節(jié)點的設計任務，開發(fā)難度和產(chǎn)品整體核算成本要低。 

　　更近一步的看，傳統(tǒng)的單片機正在大踏步的進入工業(yè)無線網(wǎng)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(wǎng)絡，也可以說是一種簡化的ZigBee網(wǎng)絡方案。比較起 ZigBee協(xié)議，SimplicTI支持點－點和星型網(wǎng)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(jié)點設計， SimplicTI 的開發(fā)目前還是一個典型的單片系統(tǒng)，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個函數(shù)；初始化，連接和監(jiān)聽，發(fā)送和接受，配置，配置參數(shù)簡單明了，包括有頻率，安全令牌，網(wǎng)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(fā)，這使得在RTOS支持下430無線節(jié)點設計功能可以再復雜些，設計的彈性也大。圖3是SimplicTI開發(fā)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(wǎng)絡支持更加寬泛和靈活，升級換代方便了。

圖3  SimplicTI開發(fā)板

結語

　　無線技術是未來嵌入式系統(tǒng)發(fā)展最快速的領域之一，單片機是嵌入式和工業(yè)控制系統(tǒng)最傳統(tǒng)的核心部件，SoC和微電子制造工藝的發(fā)展推動單片機的變革，無線技術和應用是單片機發(fā)展的一個熱點，是包括TI，F(xiàn)reescale，ST，NXP，Atmel，Microchip 這些工業(yè)芯片半導體巨頭和專業(yè)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(tǒng)，都將嵌入在在未來形形色色電子設備里。工業(yè)控制系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡由于其行業(yè)的特殊性，決定選擇一種無線網(wǎng)絡技術的因素很多，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(wǎng)和CAN總線是新一帶工業(yè)設計的主流網(wǎng)絡一樣，在工業(yè)控制系統(tǒng)里采用標準無線網(wǎng)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(huán)境和條件下，短波和衛(wèi)星通訊方式依然在工業(yè)無線網(wǎng)絡中使用，比如此次四川汶川地震后水情自動測報系統(tǒng),就是由北斗衛(wèi)星，衛(wèi)星終端，傳輸設備和太陽能供電裝置組成，實現(xiàn)了在地震災區(qū)這樣基本通訊方式無法保證的環(huán)境下，遠程工業(yè)無線網(wǎng)絡設備正常工作。

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