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2.3無線抄表系統
上述的8位單片機無線節點停車收費表,只是單片機無線自動讀表系統應用得一個實例,在我們日常生活中,家里的各種電表/水表/煤氣表/熱量表都需要按時查表收費,如果每個表都采用單片機無線系統,自動完成水/電/煤氣/熱量計量,自動儲存在系統儲存器中,那么,在需要查表時,查表員不用進入家門,無線電波穿墻而過,查表人員就可以在瞬間輕松完成讀表;更為令人吃驚的時,由于每個家庭中等無線智能表已經和鄰居家的無線智能表自動連接成為無線網絡,就像接力賽跑一樣,一個無線節點雙向通過另一個無線節點組成網狀數據鏈,將整個大樓的無線智能表都連接在同一個無線網絡上;所以查表人員可以不用上樓下樓,僅僅通過大樓入口處的任何一個無線節點,便可以通過無線網絡迅速完成整個大樓大面積查表工作。
由許多8位單片機無線節點構成的雙向無線網絡系統,不僅可以方便查表,而且進一步改造,還可以由能源部門在任何時候對每個單獨的節點各種電表/水表/煤氣表/熱量表等進行實時監測和控制,達到節約能源的目的。
除了上述所描述的系統,在日常生活,工業控制等方面還有更廣闊的應用如：輪胎壓力監視系統、貨物跟蹤管理系統、農作物環境監測系統等。
我們可以看到,8位單片機無線系統為無線產品的開發/應用提供了非常廣闊的空間,將創造出巨大的市場空間。
三、無線時代的8051/8052單片機
在種種8位單片機中,以8051/8052系列8位單片機最為流行行為全世界工程師們所熟悉,隨著技術進步行集成電路工業發展,今天的8051為內核的8位單片機芯片,與20年前的80518位單片機有了長足進步,許多外圍電路,存儲器,都被集成在同一芯片之中;同時功耗更低,速度更快,芯片更小,但是,在我們上述的無線應用中,即使用這樣新的單片機,去和無線收發芯片組合,仍然很難滿足設計的需要,正是因為：
A)在無線應用系統通訊電路工作在非常高等頻率下,無線收發電路一般在300MHZ-1000MHz,高的頻率甚至到2.4G-5.8GHz,這樣的高頻電路非常容易受到同一電路板上其他信號的干擾,而單片機的工作時鐘和接口信號,非常容易對無線接收發射電路造成致命的干擾。
B)相當多的應用要求更小的體積,往往只能容許單一芯片。
基于上述兩個原因,理想的無線單片機應該集成無線收發電路和8051內核,閃存,外圍電路為一體,并在低功率消耗的前提下,能兼容目前流行的開發環境,所以高級語言,例如C語言直接編程,開發。面對巨大的市場前景,許多大型集成電路生產商度開足馬力,開發這類單片機,目前,市場上已經有這樣的8位無線單片機面世,相信今后幾年,會有大量的這類無線單片機面世。
然而,正是這些特點,限制了無線產品向更廣闊的應用空間發展,而能夠突破這個無線應用得瓶頸的關鍵,確正是這個小小的其貌不揚8位單片機;大家知道,所謂8位單片機,就是在單一芯片上,包括了8位微處理器,外圍接口,靜態存儲器,閃存,數字-模擬轉換等為一體高度集成的電路,例如大家熟悉的8051/8052系列單片機。
下面,我們以一種已經大量在市場上銷售得8051內核的無線單片機為列子,提供解剖“麻雀”,來認識無線時代的8051內核的單片機。
一個典型的具有無線收發功能的8051內核單片機由一個8051的內核為核心,由于采用這個有長遠應用背景的內核,所以很多市面上流行的8051開發軟件開發工具,都可以用于這個新的無線單片機的軟件開發,例如世界著名,深受全世界工程師喜愛的KEILC51開發工具和UV2集成開發環境等;該無線單片機除了包含標準的8051外圍電路如同步/異步串行接口,定時/計數器,輸出/輸入接口外,還包括32K 字節 閃存,2k 字節靜態存儲器,10 位模擬數字轉換器等,構成一個完整的單片微型計算機。
同時,在同一晶片上集成了完整的無線收發電路,可以實現300MHz-1000MHz的無線通訊,同時該無線收發電路和8051單片機系統有機的整合在一起,開發者只需要象管理微處理器其他寄存器一樣,就可以輕松管理這個高頻工作的無線收發電路。由于經過特別的設計,所以,最大限度的減少了單片機數字電路對高頻模擬線路的干擾,使無線單片機的使用變得更加方便和容易。考慮到無線通訊加密的需要,該無線單片機機還專門加裝了密碼加密/解密用得DES 模塊。
該無線單片機的無線通訊主要技術指標如下：1)工作頻率范：300MHZ到1000MHZ;2)接收靈敏度：典型-107dBm ;3)輸出功率： 可以調整,最大 +10dBm ;4)無線數據傳輸最大速度：76.8 K bit/s ;5)電源：2,7V – 3.6V,可以使用兩節AA 或 AAA 電池供電;6)功耗：非常低等電流消耗,7)無線信號強度監測功能 RSSI ;8)電磁兼容：EN300 220/FCC CFR 47part 15 ;9)芯片包裝：64 腳小型TQFP包裝。
四、8051內核的無線單片機的無線通訊軟件開發和開發工具
由于無線通訊和有線通訊有兩個主要得不同點：無線通訊使用共同的傳播媒介;無線通訊出錯的概率高于典型的有線通訊系統;這兩個不同點決定了無線通訊必須要提供開發/設計大量無線通訊協議來解決在同一傳播媒介中可靠收發數據,克服噪聲干擾,降低出錯概率,實現可靠通訊。
首先,需要確定和選擇相應的通訊方式,可以采用時間分割(TDMA),頻率分割(FDMA), 或 變頻方式(FHSS) 等方式。然后開發下列各層軟件：1)物理層軟件：和無線收發電路接口,編碼方式選擇控制,接收處理數據包裝等;2)數據連接層軟件：主要包括在物理層之上等通訊協議軟件,這些軟件負責錯誤處理,數通訊數據效驗,連接控制等;3)網絡層軟件：包括點到點,點到多點,服務器/客戶,peer 到 peer, 多節點處理等。
大量的軟件開發工作,需要高效率的軟件開發工具,這些工具必須具有下列功能：a)軟件能在C語言下直接快速下載到目標無線單片機程序閃存,進行查錯(debug)處理,并在C51環境下,具有單步,斷點,變量觀察,寄存器(包括無線收發寄存器)觀察/修改等全部高級無線調試功能;b)具有完善的無線單片機軟件庫,主要包括硬件接口庫函數,基本的通訊協議庫函數,這樣,開發工程師可以不必編寫物理層軟件和數據連接層軟件,這一部分正是開發無線通訊軟件的難點;c)具有豐富的通訊樣板軟件,方便客戶參考這些樣板軟件開發自己的物理協議和網絡軟件/應用軟件;令人高興的是,具有上述功能的8051內核無線單片機(上述典型無線單片機)開發系統C51RF系列已經上市。
該無線開發系統由一塊很小的電路板組成,一端連接一條RS232通訊電纜,一端通過仿真電纜連接到目標無線單片機,板上有三個微型鍵和三個發光管操作和顯示開發系統工作狀態。該開發系只需要占用PC機一個串行接口,即可以在工程師非常熟悉的KEIL公司的UV2開發環境下,使用c51高級語言,進行編譯,連接,下載到無線單片機進行單步/斷點調試等全部高級調試功能。同時,該開發系統提供完整的軟件庫(包括c51源代碼),方便工程師從較高起點,使用c51語言,進行無線通訊軟件開發。另外,該開發系統目前已經提供RF232點對點無線通訊,溫度測量無線傳感器網絡。談天室無線網絡服務器/客戶網絡的應用實際例子,包括全部c51源代碼;方便參考開發各種應用軟件。該開發系統較國外同類開發系統價格便宜50%,而且隨著應用數量增加,相信不久會和目前普通單片機開發系統接近同樣價格。
五、八位無線單片機開發的機遇和挑戰
通過上面的描述,讀者也許會問,既然有如此廣闊的市場前景和如此價廉物美的無線單片機芯片,簡單容易使用得無線單片機開發工具,為何無線單片機目前在國內的應用并不廣泛,很多工程師,技術人員對相關技術對該技術,并不熟悉？以筆者多年來從事無線嵌入式產品的開發/設計經驗看,筆者認為主要有以下幾點原因：
A)很多工程師缺乏高頻/無線設計的經驗,一份報告指出,即使在美國,也只有20%的工程師有高頻和無線產品開發經驗,面對幾百兆,甚至幾千兆的高頻電路,對硬件和軟件設計都提出了更高等要求,設計經驗變得非常重要;有報告指出,由于工程師經驗不足造成平均美國有多達80% 無線項目開發失敗。
B) 無線項目開發入門費用太高：如果開發普通單片機項目,在國內,有一臺電腦,花幾百人民幣買一個簡單開發工具,即可以進行,但開發無線項目,各種高頻儀器設備,動輒上萬,高頻的零件也是相當昂貴;在美國,構建一個無線開發環境,僅僅各種無線測試儀包括頻譜分析,網絡分析,信號發生,高頻示波器等,投資高達100萬美元,很高的進入門坎使大多數中、小公司很難進入其中。
C)無線設計有關教育不夠普及,由于缺乏必要的設備環境,使目前很少有大學開設無線單片機的課程,也很少有相關教程和書籍介紹相關無線系統協議,無線傳感器的知識;同時,更少有工程師能夠接觸到無線產品的實際設計的軟件開發;
面對上述的困難,是否有辦法克服呢？筆者認為,以國內巨大的嵌入式單片機開發隊伍,其中人材濟濟,由于c51的熟練應用,已經為無線單片機軟件開發,打下了良好的基礎,只有我們選準突破口,逐步通過實際設計積累經驗,無線單片機系統的設計,是完全可以掌握的。筆者建議如下：
1)加強各種低價格,低成本的各類無線開發工具的開發,盡量爭取用實用化低成本的無線開發環境,取代成本高昂的各種高頻設備;2) 加快各種商業化的單片機無線通訊軟件庫開發工作,使無線軟件設計更加容易;
3)加快普及相關無線通訊設計知識,編寫相關實用教程和書籍,加快單片機無線通訊人材培訓工作;4)爭取讓更多的工程師有條件實際接觸無線通訊系統的設計工作,通過廣泛的接觸和實踐,積累高頻電路硬件設計和無線軟件開發經驗。
結束語：
去年,IEEE發布了相關的標準802.15.4,規范了在UHF和2.4G–5.8G微波頻段嵌入式無線通訊的相關標準,802.15.4 標準為低成本,低功耗,較低等通訊速率的無線網絡通訊的標準化,打開了大門。
隨著這個標準的廣泛應用,8位無線單片機,將會迎來一個更廣泛的應用的春天;有一篇文章說,從無線電(應該說是指模擬無線電路應用)到單片機的應用,二十年,為國內培養大批電子工程師和各種技術人材,然而,從普通單片機到無線單片機(單片機無線數字通訊),將是一個新的長征,這個長征,將培養造就大批無線數字通訊的軟件和硬件人材,同時,創造出無可估計的巨大市場空間和巨大經濟效益
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