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嵌入式系统的无线通信控制器余培强嵌入式无线通信介绍•嵌入式系统以其小型，专用，易于携带，高可靠性的特点，已经在工业控制，数据传输，数据处理，远程监控，智能仪表等领域得到了广泛的运用。随着无线通信事业的发展，如今，在许多场合有线连接的方式已经不能满足科技的高速发展，无线技术正以一种快速的发展速度进入许多产品中，其中，将ARM处理器运用到无线数据传输领域得到了飞速的发展。与有线技术相比，无线通信技术主要具备成本低，携带方便，省去有线布线的优点。特别适用于手持设备的通信、电池供电设备、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、机器人控制、无线数值语音、数字图像传输、智能小区不停车收费、银行只能回单系统等。在通信方式及通信协议方面，无线数据传输的通信协议已经形成了比较成熟和规范的标准；相应的，在硬件条件方面，无线数传的半导体芯片也大量出现。本方案是以arm处理器做为主控制器，以zigbee无线通信协议及cc2430单片芯片做为本控制器的无线通信协议和无线通信芯片。具体的细节在后面说明。关键技术介绍•ARM介绍•Zigbee介绍ARM介绍•ARM(AdvnacedRICSMahcines)，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权(IP)核的微处理器，即通常所说的ARM微处理器，己遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RICS微处理器75%以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到日常生活的各个方面。ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。ARM微处理器的特点•ARM32位体系结构目前被公认为是业界领先的32位嵌入式RISC微处理器核，具有如下特点:•RISC型处理器结构，采用Load/Store结构，只有Load/Store指令可以与存储器打交道，其余指令都不允许进行存储器操作。每机器周期可执行1条指令。•支持Thumb(16位)和ARM(32位)双指令集，Thmub指令集比通常的8位和16位CISC/RICS处理器具有更好的代码密度，可以显著减小程序对存储器的需求;可节省30%~40%以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。•多处理器状态模式，ARM可以支持用户、快中断、中断、管理、中止、系统和未定义等7种处理器模式，除了用户模式外，其余的均为特权模式。这也是ARM的特色之一，可以大大提高ARM处理器的效率。•嵌入式在线仿真调试，ARM处理器都嵌入了在线仿真ICE一RT逻辑，便于通过JTAG来仿真调试ARM程序，可以省去价格昂贵的在线仿真器。•灵活方便的接口，ARM体系结构具有协处理器接口，方便扩充各种功能。ARM允许16个协处理器。另外，ARM处理器还具有先进的片上总线AMBA(AdvancdeMicrocontrollerBusArehiteeture)。通过AMBA来方便的扩充各种处理器及IO。•低电压低功耗的设计。ARM微处理器系列•ARM微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于ARM体系结构的处理器，除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。•---AMR7系列•---AMR9系列•---ARM9E系列•---ARM10E系列•---SecurCore系列•---Inter的Xscale•---Inter的StrongARM•其中，ARM7，ARM9，ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独待的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。S3C44B0XARM7体系结构微处理器介绍•SamsungS3C44BOX微处理器采用0．25μmCMOS工艺制造，特别适合应用于对成本和功耗敏感的场合。所有的S3C44BOX都采用新的总线结构——SAMBAⅡ(SamsungARMCPU嵌入式控制器总线结构)。•S3C44BOX最突出的特点是其CPU核采ARM公司的16/32位ARM7TDMIPISC结构(主频为66MHz，最高可达75MHz)。ARM7TDMI系列扩充包括Thumb协处理器、片上ICE中断调试支持和32位硬件乘法器。S3C44BOX通过在ARM7TDMI内容的基础上扩展一系列完整的通用外围器件，使系统费用降至最低，免除了增加附加配置的需要。•集成的片上功能描述如下：•·在ARMTTDMI的基础上增加8KB的Cache；•·外部扩充存储器控制器(FP/EDO/SDRAM控制，片选逻辑)；•·LCD控制器(最大支持256色的DSTN)，并带有一个专用DMA通道的LCD控制器；•·2个通用DMA通道，2个带外部请求管脚的DMA通道；•·2个带有握手协议的UART，1个SIO；•·1个多主机I2C总线控制器；•·1个IIS总线控制器；•·5个PWM定时器及1个内部定时器；•·看门狗定时器；•·71个通用可缩程I／O口，8个外部中断源；•·功耗控制模式：正常、低、休眠和停止；•·8路10位ADC；•·具有日历功能的RTC(实时时钟)；•·带PLL的片上时钟发生器Zigbee介绍•Zigbee是一种短距离、低速率无线网络技术。Zigbee的基础是IEEE802.15.4无线个人域网标准。Zigbee的数据传输速率在10kbit/s到250kbit/s之间，因而它适合于低速率的无线传输应用。Zigbee可以构建一个由多达数万个无线数传模块组成的无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的DCMA网或GSM网。每个网络节点间的距离可以从标准的75米扩展到几百米，甚至几公里。与移动通信网络不同的是，Zigbee网络主要是为自动化控制数据传输而建立的，而移动通信网主要是为语音通信而建立的。Zigbee技术拥有低数据速率和通信范围较小的特点，这也决定了Zigbee技术适合于承载数据流量较小的业务。Zigbee技术的目标就是针对工业、家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田、电力、矿山和物流管理等应用领域。另外，它还可以对局部区域内移动目标，例如对城市中的车辆进行定位。Zigbee特点及应用领域•Zigbee的特点突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下几个方面：•1)、低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持l个节点工作6~24月，甚至更长。这是zigbee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WIFi可工小时。•2)、低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且Zigbee免协议专利费。•3)、低速率。Zigbee工作在20~250kbps的较低速率，分别提供250kbps(2.4HGz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。•4)、近距离。传输范围一般介于10~100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增l~3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。•5)、短时延。Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能，相比较，蓝牙需要3~10s、WIFi需要3s。•6)、高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理;最多可组成65000个节点的大网。•7)、高安全。Zigbee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES一128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。•8)、免执照频段。采用工业科学医疗(ISM)频段。2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。•Zigbee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。•一般而言，满足如下一些特点的应用场合，是Zigbee应用极具优势的地方：•需要无线通信交换信息的低成本装置;•数据的交换量较小、传输的速率要求不高;•功耗要求极低，采用电池供电且需要维持较长时间;•需要多个(尤其是大量)设备组成无线通信网络，主要进行监测和控制的场Zigbee协议堆栈分析Zigbee协议堆栈分析•Zigbee堆栈是在IEE802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。Zigbee设备应该包括EIEE802.15.4(该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层，以及Zigbee堆栈层:网络层(NWK)、应用层、应用支持层、ZDO管理层和安全服务提供层。图1-1给出了这些组件的概况.•1、PHY和MAC层：MAC层负责和PHY层进行交互。提供了媒体访问控制层与无线物理通道之间的接口，主要负责：激活或休眠无线收发设备、对当前频道进行能量检测、链路质量指示、为载波检测多址与碰撞避免进行空闲频道评估、频道选择、数据的发送及接收等。该层由芯片制造厂商完成。•2、网络层(NWK)：负责建立和维护网络连接。它独立处理传入的数据请求、关联、解除关联和孤立通知请求。•3、设备对象层(ZDO)：用于整个ZigBee设备的配置和管理。应用程序可以通过端点0与ZigBee堆栈的其它层通信，从而实现对这些层的初始化和配置。附属在端点0的对象被称为ZigBee设备对象(ZDO)。端点255用于向所有端点的广播。端点241到254是保留端点。可以通过ZDO接口对远程设备进行重新配置、发起或回应绑定请求、在网络设备间建立安全机制(如选择公共密钥、对称密钥等)等。•4、APS层：主要提供ZigBee端点接口。应用程序将使用该层打开或关闭一个或多个端点并且获取或发送数据。它还为键值对和报文数据传输提供了原语。•5、APL层:提供高级协议栈管理功能。用户应用程序使用此层管理协议栈。安全服务提供层:负责提供安全机制。每一层(MAC、网络或应用层)都能被保护，为了降低存储要求，它们可以分享安全钥匙。SSP是通过ZDO进行初始化和配置的，要求实现高级加密标准(AES)。Zigbee协议网络的构成•在ZigBee网络中，支持两种类型的物理设备：全功能设备和精简功能设备。•全功能设备(FFD，FullFunctinoDveiec)特点：支持任何拓扑结构，可以成为网络协调器，能和任何设备通信。•精简功能设备(RFD，ReducdeFunctinoDveiec)特点：只用在星型拓扑中，不能成为网络协调器，只能和网络协调器通信，实现非常简单。•Zigbee网络要求至少一个全功能设备作为网络协调器，网络协调器要存储以下的基本信息：节点设备数据、数据转发表、设备关联表。终端设备可以是精简设备用来降低系统成本。•网络协调器和网络节点有以下的功能：•Zigbee网络协调器:建立网络，传输网络信标，管理网络节点，存储网络节点信息，在关联节点之间路由信息。•Zigbee网络节点:为电池供电和