ARM插上Wi-Fi的翅膀 单片机进军微功耗无线大市场

一、
ARM单片机的无线化和网络化大趋势
芯片巨人英特尔作为了幕后的推动者，正在大力推动采用成熟802.11和Wi-Fi 方案以期取代蓝牙成为无线个人局域网(PAN)行业标准，同时也希望替代Zigbee在无线传感器网络(WSN)领域和无线定位等领域的主流地位。



借助低功耗Wi-Fi解决方案，美国硅谷GainSpan公司最近推出了在这场阵地战中可能取得胜利的重量级武器—-全新概念的新一代Wi-Fi无线单片机GS1010系列产品。


这个以两个经典ARM7微控制器器为内核的32位无线单片机，也称“ARM射频SoC (ARM无线片上系统)”以其优异的无线性能、标准性、 超低功耗、超低成本，在无线单片机技术领域，开创了ARM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。










图1
Wi-Fi 无线单片机GS1010框图


以GS1010的主要特点是：


1)专门的设计，将全部的Wi-Fi /IEEE 802.11b/g 需要的高频部分电路全部集成到了电路内部，从GS1010高频输出到天线之间，只有1个0805的零件(滤波/平衡器)，系统设计者完全不必需要任何高频方面的经验。


2)采用特殊设计，使ARM7微控制器和高频线路间，实现完美的配合，数字电路对高频通讯的影响减低到最小。


3)将两个ARM7 32位微处理器，384K闪存，224k SRAM多种外围电路，A/D，RTC和802.11无线芯片等全部设计成一只非常小的QFN封装微型单芯片中(102脚 10X10平方毫米大小)，真正实现了Wi-Fi系统的单片机化，无线化，微型化。使设计者可以采用GS1010单片机来设计微型遥控器，信用卡一样薄的微型RFID电子标签，能置入人体的微型传感器等等电池供电产品和多种应用产品。


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 802.11标准通讯协议处理，SNMP、UDP/TCP等标准的网络协议，低功耗管理等等，都可以象“搭积木”一样，轻易放入GS1010无线单片机内部FLASH存储器中间去，由于GS1010这样的32位ARM处理器具有较大的存储空间，将完整的802.11无线网络协议栈和互联网标准协议栈放入进去后，还将有足够空间存储各种用户的应用代码。


5)功耗非常低，GS1010能够确保在一节AA电池供电下长达5～10年的使用时间(具体时间取决于不同应用中的唤醒间隔)。


6)价格非常低，GS1010大量购买的分别是 6美元 到 10美元；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802.11RF+MCU的总体价格，可能会低于普通常见ARM单片机的价格。



从GS1010以上的这些特点我们看到了32位单片机无线化，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ARM单片机的结构/指令系统/编译开发工具和实时操作系统，而直接快速进入嵌入式802.11和WI-FI无线产品开发的实践中去。



二、 ARM单片机装上802.11标准和Wi-Fi智慧



在无线网络的高速发展中，802.11标准已经成为了全球无线网络发展的主流方向之一， 无所不在的Wi-Fi无线网络已经在全球范围内正在日益广泛应用于酒店、家庭、写字楼、医院以及各种商业设施。来自IDC的数字显示，2006年有超过一半的美国公司建立了Wi-Fi网络，而ABI Research更预计到2010年有超过4成的美国家庭也将会安装Wi-Fi网络。在中国，北京、上海等都提出了无线城市的计划，此外Wi-Fi手机市场也在如火如荼发展当中。



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，这里最关键的是标准化和网络的普遍性问题。



[url=]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，各种家电设备和数字家庭传感器，控制器等都将装有无线功能，汇集成一个互通的无线网络。[/url]



和目前国内已经比较普及的802.15.4标准和ZigBee网络比较，Wi-Fi /IEEE 802.11b/g是更成熟的技术，在设备互操作上所具备明显优势。



这种基于IP的联网技术能够非常方便的实现和已经安装在企业和家庭中的网络进行无缝连接，而且还应具有更好的安全性，ZigBee目前还无法全面满足这些要求，特别是在Wi-Fi /IEEE 802.11b/g已经非常普及的欧美地区。



对于应用广泛的无线传感器网络中如果使用GS1010有如下优点：



1)Wi-Fi能够采用WPA和WPA2的专业验证能力来提高WSN网络的数据安全性；



2)通过添加一种新的定位方法，可基于Wi-Fi实现仓库和医院中货品和人员的准确定位；



3)通过有效的激活/待命状态转换模式以及系统电源管理，能够实现低功耗Wi-Fi无线传感器方案；



4)能够采用SNMP协议来管理WSN网络中的节点；



5)IEEE已经在802.11e中增加了包括数据优先级、语音和视频传输等QoS特性，这可以保证某些WSN应用中的服务质量。



当Wi-Fi /IEEE 802.11b/g 的无线网络信号，像一片“无线云彩”一样覆盖我们的每一个城市上空和覆盖我们每一个家庭，每一个商业楼宇的时候，一个全新的景象，向我们展示了下列的图画：


千家万户家庭中的各种电表，水表，煤气表内的GS1010无线单片机，通过Wi-Fi无线网络，以很低功耗，和供电公司等能源通过者保持着网络实时联系，家庭内的数字显示系统，会通知你，何时能源价格最低，你可以使用低价格能源付费，同时如果你的能源设备出现问题，能源公司也会第一时间抢修。



缴费和抄表，更是全自动中完成…..



都市林立的商业大楼内部，数以万计的工作无线传感器，包括安防，温度，湿度，烟雾报警等等，全部采用已经具有的WI-FI网络进行自动无线连接，中心控制系统，根据这些无线传感器的大量的信息，调节空调系统，监控大楼安全，是商业大厦更安全，更节能….



巨大的物流仓库，大型货车，铲车来来往往， 每件货物上都安装了具有定位功能的WI-FI无线单片机芯片，通过仓库内已经布设的802.11无线网络，每件货物都可以精确的定位，也可以容易获得货物的详细信息……



听起来好像不可能，但这正是已经广泛普及的802.11标准自组织无线网络和Wi-Fi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？当一片片“无线云彩”密布我们城市上空时，当我们熟悉的ARM单片机，装上Wi-Fi的智慧的时候， 我们的梦想正在加速变成现实……



802.11标准和WI-FI技术和ARM 32位无线单片机的结合，给单片机技术的发展，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、 创新设计的“船”和“桥” 助你进军Wi-Fi大市场



高频无线技术、单片机技术、ARM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。



从知识准备来讲，可以直接读Wi-Fi无线单片机的各种数据手册，802.11无线通讯标准的相关技术资料，也可以看看《无线单片机技术丛书》这样类似的无线读物和技术书籍 (出版嵌入式技术丛书着名的北京航天航空出版社已经出版了8本丛书) 。另外uCOS-II 实时操作系统，目前已经被很多工程师掌握，如果你对这方面不太熟悉，相关知识也需要提前准备。



从硬件上讲，开发Wi-Fi低功耗无线单片机GS1010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。不需要新的电脑，一台旧电脑工作也没有问题。


2)一套Wi-Fi无线单片机开发系统(如ARMRF-GS1010-PK开发系统)，这是由美国GAINSPAN公司中国战略合作伙伴和代理商无线龙通讯科技公司自主创新开发的新产品。该开发平台同时提供全部802.11标准和WI-FI工程文件/代码/ARM应用软件源代码，价格低于国外同类产品。







图2
低功耗Wi-Fi无线传感器网络GS1010开发平台



3) Keil Real View开发环境。



和GAINSPAN 原厂采用GREENHILLS 的开发平台和RTOS不同， 无线龙通讯的这套系统(图二) 采用了国内工程师熟悉KEIL MDK ARM开发平台和uCOS-II(图三)，如果你熟悉KEILMDK ARM 平台的uCOS-II开发平台，你只需要10分钟进行熟悉，你就可以快速使用这套平台。在开发WI-FI/802.11 B/G应用时，就像你使用标准的ARM7开发一样的方便简单。





图3
Keil MDK 和全套Wi-Fi开发软件



当你完成连接后，你已经拥有了自己的WI-FI无线网络产品开发平台，采用这个平台你完全不用去考虑这是工作在2.4Ghz的高频产品，只要你会ARM就可以在这个无线平台上自由飞翔，开发你希望的802.11无线产品和任何应用；


四、结束语



从2007年第二季度开始GainSpan开始向全球客户提供样片。10月份，该公司正式对外发布了这款采用台积电0.18微米CMOS工艺的Wi-Fi 低功耗WSN方案芯片，2008年预计将实现400~1，500万片的出货量，并在2009年增长到2，000万片。



巨大的低功耗，嵌入式无线网络市场，为我们展示了数字家庭，无线定位，RFID，无线传感器等商业前景， WI-FI ARM无线单片机的诞生，为单片机技术，开创了新的篇章，让我们的举起双手，去迎接光辉灿烂的单片机无线时代的到来吧。