單片機(jī)在工業(yè)無(wú)線

單片機(jī)在工業(yè)無(wú)線第一頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日發(fā)展歷史：早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信息信號(hào)的綜合處理能力，并通過(guò)與傳感器控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)到了20世紀(jì)90年代后期，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接傳感控制器構(gòu)成局域網(wǎng)，這就是第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在，傳感器網(wǎng)絡(luò)以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)志，它正處于研究和發(fā)展的階段，我們稱之為第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以應(yīng)用在軍事：環(huán)保，醫(yī)療以及空間探索等許多領(lǐng)域，可以說(shuō)它具有非常廣泛的應(yīng)用前景第二頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日發(fā)展趨勢(shì)：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。第三頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日典型的工業(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、3G等，未來(lái)還能有超寬頻(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，3G、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。

第四頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日●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()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特別適合工業(yè)控制中的遠(yuǎn)程監(jiān)控和測(cè)量系統(tǒng)。第五頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日在工業(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)則通過(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)的模塊有西門子G24TC45、TC35i，飛思卡爾G24，索愛(ài)GR47/48，還有Wavecom的集成了ARM9核的GPRSSoC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。

第六頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日

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)下頁(yè)簡(jiǎn)介），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TIMSP430通用的低功耗單片機(jī)結(jié)合的例子。第七頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日CC2430簡(jiǎn)介：CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段應(yīng)用，及對(duì)低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHzDSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。CC2430的設(shè)計(jì)結(jié)合了8Kbyte的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，他們是根據(jù)不同的閃存空間32，64和128kByte來(lái)優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)，前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU（8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器Timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（Watchdogtimer）、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(PowerOnReset)、掉電檢測(cè)電路(Brownoutdetection)，以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。

第八頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日工業(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4KRAM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。

第九頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日以Wavecom為代表的GPRSSoC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ARM9CPU，支持128K閃存，128KRAM，外設(shè)有11個(gè)GPIO，I2C，SPI，5X5鍵盤，2個(gè)UART，USB2.0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?？傊疅o(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。

第十頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日無(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embeddedworkbench(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CYGNALC8051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KEILIDE或者IAREW430/8051，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)。第十一頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這樣的通訊節(jié)點(diǎn)是需要一定的系統(tǒng)軟件支撐和一定開(kāi)銷的處理器能力，因?yàn)樗枪I(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(yán)格得多，目前看到的設(shè)計(jì)方法有這樣兩種，一種是使用一個(gè)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(luò)和設(shè)備驅(qū)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(chǔ)空間和32M以上執(zhí)行空間(WinCE要求可能還更高)，比如業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)公司Crossbow的imote2(匯聚節(jié)點(diǎn))使用Marvell416MHzPXA271處理器和一個(gè)TI公司ZigBee收發(fā)器，這樣的設(shè)計(jì)好處是明顯的，但是隨即可能的問(wèn)題是如何控制好系統(tǒng)的功耗和可靠性，工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多數(shù)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(tǒng)引導(dǎo)和恢復(fù)的功能和時(shí)間都還不能完全滿足工業(yè)控制應(yīng)用的要求。取而代之的另外一種方式是目前多家MCU半導(dǎo)體公司推薦的方案;硬件是ST、NXP的ARM單片機(jī)和Freescalecoldfire單片機(jī)，比如MCF52335，系統(tǒng)軟件是Interniche公司和Freescale合作的NichelitecoldfireTCP/IPLite一個(gè)針對(duì)coldfire免費(fèi)的輕量級(jí)的嵌入式TCP/IP軟件，它包含了TCP，UDP，ICMP，DHCP(用戶端)，TFTP和一個(gè)簡(jiǎn)單的非搶占的RTOS()，大約只有20K的代碼，第十二頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)然如果這些免費(fèi)的軟件模塊還不能滿足應(yīng)用的要求，Interniche還有PPP，SNMP，DHCP(服務(wù)器)，F(xiàn)TP服務(wù)器，IPSEC，RTP等模塊選擇，甚至升級(jí)到全功能版本的nichestack。STARM、NXPLPC單片機(jī)也有基于Nichelite類似的解決方案。這個(gè)方案的好處是MCU可以使用低主頻的ARM/coldfireFlash單片機(jī)，起到降低功耗和增加可靠性作用，系統(tǒng)軟件由半導(dǎo)體公司免費(fèi)授權(quán)給用戶，這樣用戶只要購(gòu)買常規(guī)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具，如IAREW，ARMMDK，Codewarrior就可以完成一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(tǒng)的單片機(jī)正在大踏步的進(jìn)入工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的各個(gè)方面，除了前面的SoC單芯片無(wú)線單片機(jī)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(jié)構(gòu)和使用都很簡(jiǎn)單，一顆TIMSP43016位單片機(jī)加上RFCC1100/CC2500就可以組成一個(gè)煙感，瓦斯泄漏報(bào)警和抄表節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，SimplicTI的開(kāi)發(fā)目前還是一個(gè)典型的單片系統(tǒng)，使用IAREW430工具，RF協(xié)議軟件和庫(kù)程序都是由

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TI免費(fèi)提供源代碼，SimplicTI的API只有6個(gè)函數(shù);初始化，連接和監(jiān)聽(tīng)，發(fā)送和接受，配置，配置參數(shù)簡(jiǎn)單明了，包括有頻率，安全令牌，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?點(diǎn)-點(diǎn)、星型)，電源管理和內(nèi)存分配。瑞典IAR公司最近移植PowerpackRTOS和支持MSP430單片機(jī)的開(kāi)發(fā)，這使得在RTOS支持下430無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)功能可以再?gòu)?fù)雜些，設(shè)計(jì)的彈性也大。圖3是SimplicTI開(kāi)發(fā)板，chipconradiointerface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)線單片機(jī)升級(jí)CC2430支持SimplicTI還意味著TI對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)支持更加寬泛和靈活，升級(jí)換代方便了。

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結(jié)語(yǔ)

無(wú)線技術(shù)是未來(lái)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展最快速的領(lǐng)域之一，單片機(jī)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(dòng)單片機(jī)的變革，無(wú)線技術(shù)和應(yīng)用是單片機(jī)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，是包括TI，F(xiàn)reescale，ST，NXP，Atmel，Microchip這些工業(yè)芯片半導(dǎo)體巨頭和專業(yè)無(wú)線公司Ember，Jennic，Nordic角琢的重要舞臺(tái)。無(wú)論是把射頻器件和單片機(jī)核心集成在一起的SoC無(wú)線單片機(jī)，還是單片機(jī)加上射頻器件或者射頻單片機(jī)的無(wú)線單片系統(tǒng)，都將嵌入在未來(lái)形形色色的電子設(shè)備里。工業(yè)控制系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由于其行業(yè)的特殊性，決定選擇一種無(wú)線網(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總線是新一帶工業(yè)設(shè)計(jì)的主流網(wǎng)絡(luò)一樣，在工業(yè)控制系統(tǒng)里采用標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，比如今天我們能夠看到的ZigBee，GPRS，Wi-Fi，Blutooth的應(yīng)用將越來(lái)越多，未來(lái)將是大勢(shì)所趨，歷史的必然。

第十五頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日但是，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(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用，比如此次四川汶川地震后水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng),就是由北斗衛(wèi)星，衛(wèi)星終端，傳輸設(shè)備和太陽(yáng)能供電裝置組成，實(shí)現(xiàn)了在地震災(zāi)區(qū)這樣基本通訊方式無(wú)法保證的環(huán)境下，遠(yuǎn)程工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正常工作。

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參考文獻(xiàn)：

1.李文仲，段朝玉編著，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)，北京航空航天出版社出版社

2.TI