嵌入式Wi-Fi處理器的無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】嵌入式Wi-Fi處理器的無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：給出了嵌入式Wi-Fi系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該方法采用的嵌入式Wi-Fi單芯片AX220**/11屬于內(nèi)置802.11無(wú)線網(wǎng)MAC/基帶的單片式TCP/IP微處理器，同時(shí)包含兼容802.11a/b/g的無(wú)線網(wǎng)MAC/基帶、快速以太網(wǎng)MAC及豐富的通信外設(shè)，可用于各類需要接入有線/無(wú)線以太網(wǎng)、局域網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的電路設(shè)計(jì)，文章同時(shí)給出了幾種基于AX220**/11的應(yīng)用系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方案。

0引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，眾多的嵌入式系統(tǒng)均有增加Wi-Fi特性的需求，比方利用智能手機(jī)內(nèi)建的Wi-Fi來(lái)遙控各種嵌入式設(shè)備，使支持機(jī)器對(duì)機(jī)器的通信（M2M）具有物聯(lián)網(wǎng)通訊功能的嵌入式網(wǎng)絡(luò)解決方案，而這些都將成為未來(lái)的主流需求。而在開(kāi)展產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到成本等因素，可以選用ASIX電子的單芯片TCP/IP處理器AX220**/11來(lái)開(kāi)展Wi-Fi系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。AX220**/11處理器可提供具有成本優(yōu)勢(shì)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)解決方案，以用于需要簡(jiǎn)單、易用、低成本接入有線/無(wú)線局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)的各類嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。

1單芯片TCP/IP微處理器AX220**/11

1.1AX220**/11的基本性能

AX220**和AX220**的構(gòu)造及特性基本相同，區(qū)別僅僅在于AX220**不具備外部存儲(chǔ)器接口、二者的GPIO數(shù)量不同（AX220**和AX220**的GPIO數(shù)量分別是32和64）以及封裝形式不同（AX220**和AX220**的封裝形式分別是128引腳LQFP封裝和180引腳LFBGA封裝），本文以AX220**為例來(lái)說(shuō)明其基本特性。

AX220**屬于內(nèi)置802.11無(wú)線網(wǎng)MAC/基帶的單芯片TCP/IP微處理器，可提供高性能雙CPU內(nèi)核及用于代碼存儲(chǔ)的1MB共享閃存，同時(shí)內(nèi)嵌用于主處理器（MCPU）的64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及用于Wi-Fi處理器（WCPU）的32KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，而內(nèi)置的TCP/IP加速器兼容802.11a/b/g的無(wú)線網(wǎng)MAC/基帶，快速以太網(wǎng)MAC及豐富的通信外設(shè)，可用于各類需要接入有線/無(wú)線以太網(wǎng)、局域網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備。

AX220**采用雙CPU架構(gòu)，并采用MCPU運(yùn)行應(yīng)用程序及TCP/IP協(xié)議，WCPU則用于處理WLAN協(xié)議及以太網(wǎng)至WLAN封包格式的轉(zhuǎn)換。內(nèi)建的WLANMAC及基帶處理器兼容IEEE802.11a/b/g規(guī)范，可支持802.11安全特性及802.11eQoS功能，同時(shí)支持基于AP的網(wǎng)絡(luò)（Infrastructure）或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)（Ad-Hoc/IBSS）。

AX220**既可作為芯片搭建應(yīng)用系統(tǒng)，也能通過(guò)芯片上運(yùn)行的TCP/IP協(xié)議以及各種并行/串行接口（如LocalBus、高速UART及高速SPI），作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器來(lái)搭配其他嵌入式CPU,以減輕其處理TCP/IP及WLAN協(xié)議的負(fù)荷。

1.2AX220**/11的獨(dú)立特性

（1）雙CPU架構(gòu)。

AX220**/11的雙CPU架構(gòu)可分別用于應(yīng)用程序及WLAN協(xié)議處理。

CPU采用8位流水線和精簡(jiǎn)指令集RISC,單指令周期，80MHz主頻，指令集100%兼容標(biāo)準(zhǔn)8051/80390;芯片內(nèi)置電源管理單元和可編程看門狗定時(shí)器以及3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，毫秒定時(shí)器及實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）控制器，可支持通過(guò)在線仿真接口（ICE）開(kāi)展CPU調(diào)試。

（2）主處理器。

主處理器（MCPU）用于應(yīng)用程序及TCP/IP處理。AX220**/11提供有DMA引擎（7DMA通道）及專門的內(nèi)存架構(gòu)，以用于網(wǎng)絡(luò)及外設(shè)的快速數(shù)據(jù)傳輸同時(shí)支持TCP/IP硬件加速，以用于提升網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，并可通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)IP/TCP/UDP/ICMP/IGMP校驗(yàn)和計(jì)算以及ARP協(xié)議處理。

通過(guò)軟件提供的TCP,UDP,ICMP,IGMP,IPv4,DHCP,BOOTP,ARP,DNS,SMTP,SNTP,uPnP,PPPoE和HTTP等協(xié)議可支持通過(guò)Wi-Fi或以太網(wǎng)、BOOTP和TFTP協(xié)議等開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)；同時(shí)支持2個(gè)外部中斷源，并支持2個(gè)優(yōu)先級(jí)。

（3）程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

AX220**/11內(nèi)置16KBSRAM用于程序鏡像，另有1MB的閃存用于MCPU和WCPU共享程序代碼空間；芯片支持在系統(tǒng)編程（ISP），可透過(guò)UART或在線調(diào)試器（ICE）來(lái)開(kāi)展閃存的燒寫；同時(shí)支持通過(guò)Wi-Fi、以太網(wǎng)或串口燒寫應(yīng)用程序及更新啟動(dòng)代碼，即應(yīng)用中可編程（IAP）。

啟動(dòng)時(shí)，可選擇復(fù)制MCPU應(yīng)用程序代碼到外部SRAM中運(yùn)行，以提升系統(tǒng)性能。

此外，AX220**/11還內(nèi)置用于MCPU的64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可通過(guò)外部?jī)?nèi)存接口擴(kuò)展到2MB,同時(shí)內(nèi)置用于WCPU的32KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

（4）Wi-Fi處理器和基帶控制器。

AX220**/11中的Wi-Fi處理器和其兼容802.11a/b/g的無(wú)線網(wǎng)MAC/基帶控制器可支持Infrastructure根底架構(gòu)模式或Ad-Hoc對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模式（IBSS）；同時(shí)支持DSSS及CCK:1、2、5.5和11Mb/s;也支持OFDM:6、9、12、18、24、36、48和54Mb/s;支持802.11i安全特性如下：64/128WEP,TKIP,AES;此外，還支持802.11eQoS及1TX隊(duì)列，但可選AC為用戶的應(yīng)用數(shù)據(jù)；芯片集成有RXIQADC,TXIQDAC及TSSIADC,可用于連接RF收發(fā)器；同時(shí)支持MCPU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與WCPU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間以及WCPU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與WLANMAC之間通過(guò)DMA開(kāi)展以太網(wǎng)與Wi-Fi封包格式的轉(zhuǎn)換；也支持系列Wi-Fi管理幀及硬件加速，如：MIC、SHA-1/MD-5變換、AESkey展開(kāi)、偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生（PRNG）及32位算法的硬件實(shí)現(xiàn)等；此外，還支持3種Wi-Fi節(jié)電模式，并可通過(guò)接收Beacon幀自動(dòng)喚醒；此外，AX220**/11還提供有1個(gè)用于WCPU調(diào)試的串口，1個(gè)外部中斷引腳和一個(gè)I2C總線接口。

（5）10/100M快速以太網(wǎng)MAC.

AX220**/11兼容IEEE802.310Base-T/100Base-TX快速以太網(wǎng)規(guī)范，內(nèi)置用于封包緩存的專用12KBSRAM;可支持全雙工流控及半雙工背壓流控（backpressure）；并提供有MII,RMII,Rev-MII和Rev-RMII接口；另外，它也支持以太網(wǎng)遠(yuǎn)程喚醒。

（6）外設(shè)通信接口。

AX220**/11芯片有4個(gè)串口，其中2個(gè)支持DMA.調(diào)制解調(diào)器控制引腳可支援遠(yuǎn)程喚醒及921.6Kb/s波特率；該芯片支持DMA的快速SPI接口（包括3個(gè)主模式接口或1個(gè)從模式接口）和一個(gè)支持DMA的I2S或PCM接口，也支持DMA的局域總線接口（主/從模式）和一個(gè)I2C接口（主/從模式）；芯片具有5通道可編程計(jì)數(shù)器組和一個(gè)1-Wire總線接口，可提供4組GPIO,每組8位；同時(shí)集成有32.768kHz振蕩電路（具有獨(dú)立的電源供給引腳），可用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘和Wi-Fi節(jié)電模式的自動(dòng)喚醒定時(shí)器；此外，芯片內(nèi)部集成有80MHz鎖相環(huán)，可外接40MHz晶振；同時(shí)集成了上電復(fù)位電路；AX220**/11芯片采用128引腳LQFP封裝，且符合RoHS規(guī)范；工作溫度范圍為：0℃~+70℃。

1.3AX220**/11的組成構(gòu)造

圖1所示為AX220**/11的內(nèi)部構(gòu)造組成框圖。

該芯片由主處理器（MCPU）、Wi-Fi協(xié)處理器（WCPU）、64KB數(shù)據(jù)RAM、16KB程序RAM、1MB共用內(nèi)存、時(shí)鐘及定時(shí)器、TCP/IP加速引擎、DMA引擎、以太網(wǎng)MAC、802.11a/b/g的無(wú)線網(wǎng)MAC/基帶及ADC/DAC、SPI串行總線、串口、I2C總線和局域總線等組成。

圖1AX220**/11的構(gòu)造框圖

2基于AX220**/11的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2所示為采用AX220**/11及多種傳感器設(shè)計(jì)的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)/網(wǎng)絡(luò)傳感器及遙控系統(tǒng)的構(gòu)造框圖，圖中，AX220**/11通過(guò)I2C總線與溫度傳感器相連，濕度傳感器、雨量測(cè)量傳感器、大氣壓力傳感器、風(fēng)向傳感器、太陽(yáng)輻射傳感器及熱電偶傳感器則通過(guò)單總線與AX220**/11相連，AX220**/11再通過(guò)通用輸入輸出GPIO與LED及繼電器相連，從而在LED上顯示傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)控制繼電器對(duì)電路參數(shù)開(kāi)展調(diào)整。

圖2基于Wi-Fi的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)/網(wǎng)絡(luò)傳感器及遙控系統(tǒng)

圖3是采用AX220**/11設(shè)計(jì)的串行接口與Wi-Fi轉(zhuǎn)換電路的系統(tǒng)框圖，該電路可支持多種串行通信模式，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的RS232及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的RS485和RS422總線。

圖3串行接口與Wi-Fi轉(zhuǎn)換電路

圖4是采用AX220**/11設(shè)計(jì)的ZigBee/藍(lán)牙與Wi-Fi轉(zhuǎn)換電路。ZigBee/藍(lán)牙系統(tǒng)可通過(guò)高速同步串行口SPI或通用異步串行口UART與AX220**/11相連。

圖4ZigBee/藍(lán)牙與Wi-Fi轉(zhuǎn)換電路

圖5是通過(guò)Wi-Fi傳輸音頻信號(hào)的電路框圖，音頻信號(hào)與AX220**/11相連可采用高速同步串行口SPI或