基于集成芯片实现无线通信设备的设计

作者：Ryan，Woodings，Deepak，Sharma

你驾车回家按下车库开门按钮——车库门随之打开、走廊里的主灯点亮、中央空调打开、等离子电视调到了你喜欢的频道，你的各种自动装置陆续就位……虽然这一切并非现实，但是凭借当今的无线技术，以上情形的实现绝不是遥不可及的梦想。当802.11标准在无线局域网领域崭露头角的时候，一场新的革命正在线缆置换和传感器网络领域悄然进行。这些系统的核心由一个无线通信装置（通常采用Bluetooth或WirelessUSB技术）、一个微控制器（通常是8位）以及多种板载外部元件组成。

线缆置换技术

随着Zigbee的推出，传感器网络变得愈发普及了。大多数Zigbee设备对功耗极为敏感（温度调节装置、安全传感器等），其目标电池寿命是以“年”为单位来计算的。Bluetooth专注于实现手机、耳机和PDA之间的特别互操作性，同时还被用作一种面向无线计算机外设的电缆置换解决方案。PDA和高端手机大多包含一个Bluetooth解决方案。WirelessUSB就简单的点对点应用而言，并不需要采用一种复杂的联网协议。以上三种技术工作在授权的2.4GHzISM频段，其优势包括：可在世界各地使用，多通道加上智能编码方案可提供高带宽，采用扩频实现高干扰耐受力和抑制性能，性价比较高。

微控制器集成

随着微控制器的小型化和廉价化，许多外部元件正在被直接集成到微控制器之中。目前，8位微控制器具有多种封装尺寸、RAM和ROM容量、串行通信总线以及模拟输入和输出方式，从而使得设计者能够选择一款与其设计要求和成本约束条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设计中常见的所有相关的、模拟和数字外围电路，这种混合信号集成减少了使用的元件数量，从而极大地改善了系统质量和可靠性，并大幅降低了材料成本。

正确的微控制器与无线通信的融合技术最终将使得设计者能够明显地缩短开发时间、元件数量和系统成本，并改善工作距离、功耗和延迟等指标。走“无线”路线可使人们节省巨额安装成本，例如如果在一座现有的建筑物内放置CO2探测器，采用无线解决方案能够在数天之内完成全部安装，而无需破墙或进行昂贵的布线。

不过，在选择正确的解决方案时必须谨慎而巧妙。以无线技术为例，首先是决定即将构建的系统的种类，是高端消费电子产品（如照明控制系统）还是低端商品（如无线鼠标），这将为决策（比如采用单向无线协议还是双向无线协议）提供帮助。其次，无线协议应尽可能地简单，以造就一种简易型学习曲线和具有适当代码空间的实现方案。

选择微控制器

下一步的工作是选择微控制器。首先要做的就是选择一个集成了无线通信电路的微控制器。此外，还有多个因素需要加以考虑。

（2）工具箱集成：理想的模式是使无线通信电路成为一个用户模块/程序库，这有望简化设计环境中的无线电通信开发。设计者软件开发环境应基于GUI，并具有简单的点击“n”选项。它应该提供采用C语言或汇编语言进行编码的灵活性，并在设计的调试中使用事件触发机制和多个断点。

（3）缩减设计时间：先进和抽象等级更高的工具箱可以在不需要采用C语言或汇编语言的水平上完成设计。这将使得设计者能够把精力集中在采用一个系统来创建定制解决方案。如果该工具能够生成数据表、电原理图和材料清单，总设计周期将从数周或数月缩短至几个小时！

硬件

除了单独的微控制器和无线电通信芯片之外，分立型多芯片解决方案通常还需要增设外部元件。这使得设计的尺寸和成本有所增加。通过采用集成解决方案，设计方案可以实现极小的尺寸、更低的功耗和成本以及更短的开发时间。图1示出了一个具有集成2.4GHz无线电通信电路的8位微控制器的方框图。我们注意到，由于两块芯片实现了集成，因此微控制器和无线电通信电路之间的接口是全内置型的，从而减少了所需的外接引脚数量，或者可以把外接引脚解放出来而使之成为通用I/O引脚（而不是供无线电通信接口专用）。

图1 具有集成无线电通信电路的微控制器方框图

固件

集成解决方案能够利用微控制器与无线电通信电路之间的紧密耦合来实现一种用于无线接入的易用型固件程序库。有些解决方案甚至提供了一个完整的协议栈，用于在设备之间实现完善的双向链接。通过提供一个专为特定的无线电通信电路和微控制器而定制的完整协议栈，这些解决方案使得可以轻而易举地在两个或更多的设备之间建立连接。采用一个简单的API来与无线电通信电路相配合。在建立了连接之后，协议将把信息包发送至目标设备，并在检测到错误的情况下重新发送信息包。如果失去了与目标设备的连接，协议将重新建立该连接，或者找到另一条通往目标设备的路线。图2给出了一个在无需增加设计工作量的情况下处理无线连接的建立、提供可靠的信息包传送和抗干扰性能的协议状态机实例。这使得设计者能够把无线链接作为一个有线串行总线（比如SPI、UART或I2C）来处理。

图2 协议状态机实例

系统

随着无线电通信电路与微控制器的集成，制作可放置于住宅的每间屋子里的小型温度传感器、让每个传感器定期将其所在位置的温度报告给主温度调节装置（以实现更加精确的居室供暖和空气调节控制）如今已是一件微不足道的小事情。