基于嵌入式Wi-Fi处理器的无线系统设计

admin

给出了嵌入式Wi-Fi系统的设计方法,该方法采用的嵌入式Wi-Fi单芯片AX22001/11属于内置802.11无线网MAC/基带的单片式TCP/IP微处理器,同时包含兼容802.11a/b/g的无线网MAC/基带、快速以太网MAC及丰富的通信外设,可用于各类需要接入有线/无线以太网、局域网/互联网和物联网的电路设计,文章同时给出了几种基于AX22001/11的应用系统电路设计方案。
0 引 言
随着物联网技术的发展，众多的嵌入式系统均有增加Wi-Fi特性的需求，比如利用智能手机内建的Wi-Fi来遥控各种嵌入式设备，使支持机器对机器的通信（M2M）具有物联网通讯功能的嵌入式网络解决方案，而这些都将成为未来的主流需求。而在进行产品设计时，考虑到成本等因素，可以选用ASIX电子的单芯片TCP/IP处理器AX22001/11来进行Wi-Fi系统的设计。AX22001/11处理器可提供具有成本优势的嵌入式网络解决方案，以用于需要简单、易用、低成本接入有线/无线局域网或互联网的各类嵌入式应用领域。
1 单芯片TCP/IP微处理器AX22001/11
1.1 AX22001/11的基本性能
AX22001和AX22011的结构及特性基本相同，区别仅仅在于AX22001不具备外部存储器接口、二者的GPIO 数量不同（AX22001 和AX22011 的GPIO数量分别是32 和64）以及封装形式不同（AX22001和AX22011的封装形式分别是128引脚LQFP封装和180 引脚LFBGA 封装），本文以AX22011为例来说明其基本特性。
AX22011属于内置802.11无线网MAC/基带的单芯片TCP/IP微处理器，可提供高性能双CPU内核及用于代码存储的1MB共享闪存，同时内嵌用于主处理器（MCPU）的64KB数据存储器及用于Wi-Fi处理器（WCPU）的32KB数据存储器，而内置的TCP/IP 加速器兼容802.11a/b/g 的无线网MAC/基带，快速以太网MAC及丰富的通信外设，可用于各类需要接入有线/无线以太网、局域网/互联网的设备。
AX22011采用双CPU架构，并采用MCPU运行应用程序及TCP/IP协议，WCPU则用于处理WLAN协议及以太网至WLAN 封包格式的转换。内建的WLAN MAC及基带处理器兼容IEEE 802.11a/b/g规范，可支持802.11安全特性及802.11eQoS功能，同时支持基于AP的网络（Infrastructure）或对等网络（Ad-Hoc/IBSS）。
AX22011既可作为核心芯片搭建应用系统，也能通过芯片上运行的TCP/IP协议以及各种并行/串行接口（如Local Bus、高速UART及高速SPI），作为网络协处理器来搭配其他嵌入式CPU,以减轻其处理TCP/IP及WLAN协议的负荷。
1.2 AX22001/11的独立特性
（1）双CPU架构。
AX22001/11的双CPU架构可分别用于应用程序及WLAN协议处理。
CPU采用8位流水线和精简指令集RISC,单指令周期，最高80MHz主频，指令集100%兼容标准8051/80390;芯片内置电源管理单元和可编程看门狗定时器以及3个16位定时/计数器，毫秒定时器及实时时钟（RTC）控制器，可支持通过在线仿真接口（ICE）进行CPU调试。
（2）主处理器。
主处理器（MCPU）用于应用程序及TCP/IP处理。AX22001/11提供有DMA 引擎（7DMA 通道）及专门的内存架构，以用于网络及外设的快速数据传输同时支持TCP/IP硬件加速，以用于提升网络传输带宽，并可通过硬件实现IP/TCP/UDP/ICMP/IGMP校验和计算以及ARP协议处理。
通过软件提供的TCP,UDP,ICMP,IGMP,IPv4,DHCP,BOOTP,ARP,DNS,SMTP,SNTP,uPnP,PPPoE和HTTP等协议可支持通过Wi-Fi或以太网、BOOTP和TFTP协议等进行网络启动；同时支持2个外部中断源，并支持2个优先级。
（3）程序和数据存储器。
AX22001/11内置16KB SRAM 用于程序镜像，另有1MB的闪存用于MCPU和WCPU共享程序代码空间；芯片支持在系统编程（ISP），可透过UART或在线调试器（ICE）来进行闪存的烧写；同时支持通过Wi-Fi、以太网或串口烧写应用程序及更新启动代码，即应用中可编程（IAP）。
启动时，可选择复制MCPU 应用程序代码到外部SRAM 中运行，以提升系统性能。
此外，AX22001/11还内置用于MCPU的64KB数据存储器可通过外部内存接口扩展到最大2MB,同时内置用于WCPU的32KB数据存储器。

（4）Wi-Fi处理器和基带控制器。
AX22001/11 中的Wi-Fi 处理器和其兼容802.11a/b/g的无线网MAC/基带控制器可支持Infrastructure基础架构模式或Ad-Hoc对等网络模式（IBSS）；同时支持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：64/128 WEP,TKIP,AES;此外，还支持802.11eQoS及1TX队列，但可选AC为用户的应用数据；芯片集成有RXIQ ADC,TXIQ DAC 及TSSIADC,可用于连接RF收发器；同时支持MCPU数据存储器与WCPU 数据存储器之间以及WCPU 数据存储器与WLAN MAC之间通过DMA进行以太网与Wi-Fi封包格式的转换；也支持系列Wi-Fi管理帧及硬件加速，如：MIC、SHA-1/MD-5变换、AES key展开、伪随机数产生（PRNG）及32位算法的硬件实现等；此外，还支持3种Wi-Fi节电模式，并可通过接收Beacon帧自动唤醒；此外，AX22001/11还提供有1个用于WCPU调试的串口，1个外部中断引脚和一个I2C总线接口。
（5）10/100M 快速以太网MAC.
AX22001/11兼容IEEE 802.3 10Base-T/100Base-TX快速以太网规范，内置用于封包缓存的专用12KBSRAM;可支持全双工流控及半双工背压流控（backpressure）；并提供有MII,RMII,Rev-MII和Rev-RMII接口；另外，它也支持以太网远程唤醒。
（6）外设通信接口。
AX22001/11芯片有4个串口，其中2个支持DMA.调制解调器控制引脚可支援远程唤醒及最高921.6Kb/s波特率；该芯片支持DMA的快速SPI接口（包括3个主模式接口或1个从模式接口）和一个支持DMA 的I2S或PCM 接口，也支持DMA 的局域总线接口（主/从模式）和一个I2C接口（主/从模式）；芯片具有5通道可编程计数器组和一个1-Wire总线接口，可提供4组GPIO,每组8位；同时集成有32.768kHz振荡电路（具有独立的电源供应引脚），可用于实时时钟和Wi-Fi节电模式的自动唤醒定时器；此外，芯片内部集成有80MHz锁相环，可外接40MHz晶振；同时集成了上电复位电路；AX22001/11芯片采用128引脚LQFP封装，且符合RoHS规范；工作温度范围为：0℃~+70℃。
1.3 AX22001/11的组成结构
图1所示为AX22001/11的内部结构组成框图。
该芯片由主处理器（MCPU）、Wi-Fi协处理器（WCPU）、64KB数据RAM、16 KB 程序RAM、1MB共用内存、时钟及定时器、TCP/IP加速引擎、DMA 引擎、以太网MAC、802.11a/b/g 的无线网MAC/基带及ADC/DAC、SPI串行总线、串口、I2C总线和局域总线等组成。

  
图1 AX22001/11的结构框图

2 基于AX22001/11的应用系统设计
图2所示为采用AX22001/11及多种传感器设计的无线环境监测/网络传感器及遥控系统的结构框图，图中，AX22001/11通过I2C总线与温度传感器相连，湿度传感器、雨量测量传感器、大气压力传感器、风向传感器、太阳辐射传感器及热电偶传感器则通过单总线与AX22001/11相连，AX22001/11再通过通用输入输出GPIO与LED及继电器相连，从而在LED上显示传感器测得的数据，同时也可以通过Wi-Fi网络控制继电器对电路参数进行调整。

  
图2 基于Wi-Fi的无线环境监测/网络传感器及遥控系统
图3是采用AX22001/11设计的串行接口与Wi-Fi转换电路的系统框图，该电路可支持多种串行通信模式，包括点对点的RS 232及点对多点的RS485和RS 422总线。

  
图3 串行接口与Wi-Fi转换电路
图4是采用AX22001/11设计的ZigBee/蓝牙与Wi-Fi转换电路。ZigBee/蓝牙系统可通过高速同步串行口SPI或通用异步串行口UART 与AX22001/11相连。

  
图4 ZigBee/蓝牙与Wi-Fi转换电路
图5是通过Wi-Fi传输音频信号的电路框图，音频信号与AX22001/11相连可采用高速同步串行口SPI或I2C方式。

  
图5 基于Wi-Fi的音频信号传输框图
3 结 语
随着Wi-Fi基础设施日益普及，支持多种扩展接口的AX22001/11Wi-Fi单芯片即可提供具有成本优势的嵌入式网络解决方案，以用于需要简单、易用、低成本接入有线/无线局域网或互联网的各类嵌入式应用，如消费电子、网络智能型家电、Wi-Fi无线音箱、工业设备、保安系统、远程数据采集、远程控制、远程监测及远程管理等。