一、 单片机的无线化和无线网络化大趋势
芯片巨人 TI公司收购无线单片机的先锋CHIPCON公司后,推出了全新概念的新一代 ZIGBEE无线单片机 CC2430/CC2431系列和短距离通讯的新一代无线单片机CC2510/CC1110系列,这些以经典8051微处理器为内核无线单片机,也称“射频 SoC(片上系统)”,以其优异的无线性能,超低功耗,超低成本,在单片机技术领域,开创了单片机无线化和无线网络化的全新时代,采用这些新型无线单片机,进行无线通讯,RFID,无线数传产品等产品设计,是开发低成本、低功耗单片机应用产品的非常理想方案。
以CC2430为代表的新一代射频 SoC(片上系统)的特点是:
1.专门的设计,将全部的 zigbee/802.15.4 需要的高频部分电路全部集成到了电路内部,从无线单片机到天线之间,只有3-5个 0603的普通零件,系统设计者完成不必需要任何高频方面的经验;
2.采用特殊设计,使 8051微处理器和高频线路间,实现完美的配合,数字电路对高频通讯的影响减低到最小(因为对于非常微小高频信号而言,8051就是一个很大的数字噪声源);
3.将高速8051微处理器,32K 到128K闪存,8k SRAM多种外围电路,A/D,RTC和CC2420无线芯片等全部设计成一只非常小的芯片(48脚 7X7平方毫米大小),真正实现了单片机的无线化,微型化,使采用这类单片机的产品可以做成微型遥控器,信用卡一样薄的微型卡片,RFID长距离卡片,能置入人体的微型传感器等等;
4.无线通讯中的需要的大量软件处理,包括纠错,防止空气中包装碰撞,IEEE 802.15.4标准通讯协议处理,网络路由,多种网络拓扑等等,都可以象“搭积木”一样,轻易放入无线单片机内部存储器中间去,由于CC2430这样的新一代无线单片机具有较大的存储空间,以CC2430-F128 为例,如果将 IEEE 802.15.4的协议软件放进去,大概只需要 1/4存储空间,将完整 ZIGBEE 无线网络协议栈放入进去,也只需要1/2空间,我们还有足够空间存储我们的应用代码;
5.功耗非常低,CC2430无线单片机待机是电流消耗仅0.2UA, 在32K晶体时钟下运行,电流消耗小于1UA; 使用小型电池寿命可以长达10年;
6.价格非常低: CC2430分别包括高速8051内核,ZIGBEE RF硬件部分,8K SRAM,128K/64K/32K 闪存,大量购买的分别是 4美元 到 2美元;而更加简化的CC2510/CC1100,价格会更低;从目前情况看,由于高频部分的硅成本非常低,加上非常大的生产数量,所以RF+MCU的总体价格,可能会低于普通常见8051单片机的价格。
从以上的这些特点我们看到了单片机无线化,无线网络化的大趋势,对于准备学习使用无线技术的广大单片机工程师和电子工程师而言,这是一个大好的消息,因为,从有线到无线的技术过渡中,将不再需要重新学习和熟悉单片机的结构/指令系统/编译开发工具;而直接快速进入无线产品开发的实践中去。
二、 8051的单片机,装上 802.15.4标准和 zigbee 智慧
作为8051兼容的无线单片机第一代产品的代表是 chipcon 公司的 cc1010, Nordic 公司的nRF24E1/nRF9E5。推出的时间是2004年;分别工作在300-1000mhz/2.4GHZ频道;价格在30-50人民币/每片左右;这些无线单片机由于工作可靠,技术成熟,软件丰富,所以这几年获得了非常广泛的应用,对于一般的点到点,点到多点,无线数传,和各种类似无线键盘,无线摇杆,简单遥控器,无线抄表等应用和学习无线通讯知识,教学实验等,直到今天应该仍然是很好的选择;
无线通讯(我们这里主要指短距离无线通讯和嵌入式无线通讯)的发展,需要将更多的节点通过无线联系起来,包括各种传感器网络,无线实时定位网络,射频识别网络,数字家庭网络,安全监视网络等等,这就需要解决两方面的问题:无线通讯的标准化和网络拓扑管理。
网络标准化,通俗而言就是网络节点的互通性,各种不同功能的无线网络节点需要能相互交流,相互认识,举例而言,为来家庭中,各种家电将装有无线功能,汇集成一个互通的无线网络,冰箱可能是日本的,电视是中国造,烟雾报警器可能来自美国,所有的家电通过无线汇集到家庭网关,必须要可以相互认识,才可以进行无线数据通讯,这就需要一个所有制造厂家可以遵循的标准,目前这个标准就是IEEE 802.15.4, 一个专门针对这类应用的国际标准。
网络拓扑管理,主要是建立在 IEEE 802.15.4之上的网络层,包括各种网络的形态,无线网络节点可以象一个星状连接,也可以象一个葡萄串一样,串在一起,也可以象一张大网,相互连接,相互间可以从任意节点间进行通讯;这就需要在网络层能相互兼容,这就有了 zigbee, ---- 一套标准化的网络层协议规范。
802.15.4标准和 zigbee网络,已经是当今世界的技术热点,你可以在网上发现数量巨大相关信息,也可以方便的学习到这方面知识。
实现网络的标准化,管理越来越复杂的无线网络,需要有大量的软件代码来实现,也需要对无线通讯的技术的精通和大量的人力物力投入来进行开发,决非那家公司可以独自包揽,自己来完成,所以 802.15.4标准和 zigbee网络实现的代码,都是由国际标准组织和 ZIGBEE联盟这样的机构协助组织完成的,然后以软件库,源代码库的方式提供给用户,由用户可以进行高层调用,用户加上自己的应用程序,固化到单片机中实现的。
而新一代无线单片机(象CC2430),就是具体了全部 802.15.4标准和 zigbee无线网络结构的8051单片机,当你用USB接口连接上 cc2430仿真器,(好消息,这种仿真器目前已经有国产现货了 www.wxlmcu.com )接上你的CC2430电路板,在 IAR IDE调试环境上,装上 802.15.4标准和 zigbee网络现成软件项目文件(包括 802.15.4标准和 zigbee网络库文件,表演软件等),编译,下载,然后运行,几秒种的时间,敲几下按键,一切OK, 神奇无比的 802.15.4标准和 zigbee网络,(数万行C51语言写成的代码,组成的软件)就在你的弹指一挥间,被你驾驭了。
需要将节点加入无线网络吗?调用 “加入网络”功能就可以了。
需要传输数据吗?数据送送入指定的缓冲区,调用需要“发送数据”功能,你立刻会知道你的数据是否发送成功,无线信号强度是多少……
需要将数据透过其他节点,向下跳棋一样,传输到远方的无线节点吗?指定节点的名字,准备好数据,调用“网状网络拓扑的数据传输”功能,数据就自动通过墙壁,绕过天花板,从一楼到 10楼,将数据自动传输到最远端的无线节点,同时,不到一秒时间,你可以得到回应“数据安全送到了!!”…
听起来好象不可能,但这正是 802.15.4标准和 zigbee无线单片机带给你的,今天就可以在你手中实现的实实在在的现实场境。
面对这样的场境,我们会感慨万千,这不正是电子工程师们多年来的“将一切用无线连接起来的”的梦想吗?在办公室,复印机坏了,这边你正着急,那边该公司的服务人员已经赶到了现场,为什么这么快?复印机内的无线节点早就将故障的部分,维修需要的零件自动传输到了服务的公司;家里的地上管道漏水了,你并不在家,但无线传感器迅速知道了情况,一边自动通知无线水表关闭进水阀门,一边发出短信,通知主人,这里出了什么问题……
802.15.4标准和 zigbee技术和 8051无线单片机的结合,给单片机技术,带来了一场全新的革命,由此而产生的巨大市场和广泛的应用,是我们每个电子工程师都应该关注的。
三、 投身无线的大潮,你需要的“船”和“桥”
高频无线技术,单片机技术,C51编程,无线传感器技术,无线网络技术都属于实验技术和实用技术,具体的掌握这些技术,都需要实际的动手,通过编程序,实际调试,实际电路板,现场测试分析等,来真正了解技术的核心,来具备实际的经验。
基本而言,你需要一套实际的系统,该系统可以在你的实验室,也可以在你家里,无论是化你老板的“银子”,还是你自己为未来进行技术投资而“自掏腰包 ”,这将根据你的目标,实际起步的水平,而有很大的不同。当然,越是高级的系统,使用会越简单,但价格也会越不低;俗话说“舍不得孩子套不着狼”,如果你决心要尽快掌握最先进的无线技术,化几千银子也是值得的事情;许多电子工程师/单片机工程师在熟悉8位单片及技术后,开始自己学习ARM等32位单片机技术 ,也自己花费多达几千人民币购买ARM开发工具,在家建立自己的ARM开发平台;其实,从上面的讨论我们可以看出:从电子/单片机技术发展的眼光来,单片机从8位到32位的的发展,主要是在运行速度上的量的改变,而单片机的无线化和无线网络化集成,才是单片机在质的方面的飞跃,如果讲到单片机工程师应该朝那方面进一步发展的话,学无线比学 ARM更重要,更紧迫。
从知识准备来讲,可以直接读无线单片机的各种数据手册,也可以看看有没有象《无线通讯的入门和实战》这样类似的无线通俗读物,可惜目前这类实用的无线书籍太少了,希望我们的大学教授们,多出一些实用的书籍,目前书店的无线类书籍大多是理论,各种复杂的计算公式,让人看起来非常吃力。但如何去象开发单片机一样,实实在在的做程序,做电路板,去调试。测试,最后做一个实际的无线产品,在这些书籍中很难发现,而这才是我们电子工程师最需要的东西。
从硬件上讲,建立这个实验室需要的必须条件是:
1.一台 PC机,能运行 WINDOWS XP,任何中文/英文板本,40G以上的硬盘,普通光盘驱动器,USB口,速度 800M以上就可以工作,不必很新的电脑,一台旧电脑工作也没有问题。
2.一台 C51RF-3 型 cc2430 无线单片机开发系统,这也是目前是市面上唯一可以买到地地道道的高质量国产货(通过 www.wxlmcu.com 你可以立即买到现货),在今天这个信息时代,无线开发系统也不再只是“老外”们的专利,地处南部的深圳无线龙科技公司,在 CC2430 芯片实际上市之日,同步完成了全部开发系统的设计工作,而且同时提供全部 802.15.4 标准和 zigbee 网络库文件/C51 源代码,价格低于国外同类产品。
你只要将开发系统 C51RF-3 实时在线仿真器通过 USB 接口直接连接到你的电脑,同时,通过 10 线仿真电缆连接到 CC2430ZIGBEE 无线单片及目标板,(深圳无线龙 C51RF-3开发系统随开发系统提供了两个经过全部高频测试的 CC2430无线目标模块)就方便的完成了连接;无需其他的直流电源。
3. IAR 7.20 以上C51开发环境 该开发平台非常类似 KELL 的开发平台,如果你熟悉 KELL 的 C51 开发平台,你应该非常容易去使用和非常喜欢这个功能强大的类似的 IDE/DEBUG平台。
4.一个万用表 当你完成连接后,你已经拥有了自己的无线网络产品开发平台,采用这个平台,你可以在家使用 cc2430 系列 zigbee 无线单片机(如果你选择 c51rf-3)开发许多
带有无线网络功能的无线产品;你完全不用去考虑这是工作在 2.4Ghz 的高频产品,只要你会 8051,你就可以在这个无线平台上,自由飞翔,开发你希望的无线产品;采用这个低价格的开发系统,你照样可以开发出国外在价值几十万的无线网络实验室里开发的,同样功能的高级无线通讯产品。
当然,这只是一个基本的平台,如果你有条件,你可以选择下面的配备:
5. Protel 99 等电路板设计软件,设计你自己的电路板。
6.一台示波器,观查微处理器的低频数字信号。
7.低成本的 C51RF-3-F 型 ZIGBEE/802.15.4无线协议分析仪器,该协议分析仪和国外专业 ZIGBEE/802.15.4无线协议分析仪器相同,采用 USB高速连接 PC,可以方便/快捷观察在空气中间传输的无线数据包装,使你的无线网络调试/测试更加方便,而价格只有国外同类产品的1/10。
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