給出了嵌入式Wi-Fi系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,該方法采用的嵌入式Wi-Fi單芯片AX22001/11屬于內(nèi)置802.11無(wú)線網(wǎng)MAC/基帶的單片式TCP/IP微處理器,同時(shí)包含兼容802.11a/b/g的無(wú)線網(wǎng)MAC/基帶,、快速以太網(wǎng)MAC及豐富的通信外設(shè),可用于各類需要接入有線/無(wú)線以太網(wǎng)、局域網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的電路設(shè)計(jì),文章同時(shí)給出了幾種基于AX22001/11的應(yīng)用系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方案,。

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,，眾多的嵌入式系統(tǒng)均有增加Wi-Fi特性的需求，比如利用智能手機(jī)內(nèi)建的Wi-Fi來(lái)遙控各種嵌入式設(shè)備,，使支持機(jī)器對(duì)機(jī)器的通信（M2M）具有物聯(lián)網(wǎng)通訊功能的嵌入式網(wǎng)絡(luò)解決方案,，而這些都將成為未來(lái)的主流需求。而在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),，考慮到成本等因素,，可以選用ASIX電子的單芯片TCP/IP處理器AX22001/11來(lái)進(jìn)行Wi-Fi系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。AX22001/11處理器可提供具有成本優(yōu)勢(shì)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)解決方案,，以用于需要簡(jiǎn)單,、易用、低成本接入有線/無(wú)線局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)的各類嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域,。

1 單芯片TCP/IP微處理器AX22001/11

1.1 AX22001/11的基本性能

AX22001和AX22011的結(jié)構(gòu)及特性基本相同,，區(qū)別僅僅在于AX22001不具備外部存儲(chǔ)器接口、二者的GPIO 數(shù)量不同（AX22001 和AX22011 的GPIO數(shù)量分別是32 和64）以及封裝形式不同（AX22001和AX22011的封裝形式分別是128引腳LQFP封裝和180 引腳LFBGA 封裝）,，本文以AX22011為例來(lái)說(shuō)明其基本特性,。

AX22011屬于內(nèi)置802.11無(wú)線網(wǎng)MAC/基帶的單芯片TCP/IP微處理器，可提供高性能雙CPU內(nèi)核及用于代碼存儲(chǔ)的1MB共享閃存,，同時(shí)內(nèi)嵌用于主處理器（MCPU）的64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及用于Wi-Fi處理器（WCPU）的32KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,，而內(nèi)置的TCP/IP 加速器兼容802.11a/b/g 的無(wú)線網(wǎng)MAC/基帶,，快速以太網(wǎng)MAC及豐富的通信外設(shè)，可用于各類需要接入有線/無(wú)線以太網(wǎng),、局域網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備,。

AX22011采用雙CPU架構(gòu)，并采用MCPU運(yùn)行應(yīng)用程序及TCP/IP協(xié)議,，WCPU則用于處理WLAN協(xié)議及以太網(wǎng)至WLAN 封包格式的轉(zhuǎn)換,。內(nèi)建的WLAN MAC及基帶處理器兼容IEEE 802.11a/b/g規(guī)范，可支持802.11安全特性及802.11eQoS功能,，同時(shí)支持基于AP的網(wǎng)絡(luò)（Infrastructure）或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)（Ad-Hoc/IBSS）,。

AX22011既可作為核心芯片搭建應(yīng)用系統(tǒng)，也能通過(guò)芯片上運(yùn)行的TCP/IP協(xié)議以及各種并行/串行接口（如Local Bus,、高速UART及高速SPI）,，作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器來(lái)搭配其他嵌入式CPU,以減輕其處理TCP/IP及WLAN協(xié)議的負(fù)荷。

1.2 AX22001/11的獨(dú)立特性

（1）雙CPU架構(gòu),。

AX22001/11的雙CPU架構(gòu)可分別用于應(yīng)用程序及WLAN協(xié)議處理,。

CPU采用8位流水線和精簡(jiǎn)指令集RISC,單指令周期，最高80MHz主頻,，指令集100%兼容標(biāo)準(zhǔn)8051/80390;芯片內(nèi)置電源管理單元和可編程看門狗定時(shí)器以及3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,，毫秒定時(shí)器及實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）控制器，可支持通過(guò)在線仿真接口（ICE）進(jìn)行CPU調(diào)試,。

（2）主處理器,。

主處理器（MCPU）用于應(yīng)用程序及TCP/IP處理。AX22001/11提供有DMA 引擎（7DMA 通道）及專門的內(nèi)存架構(gòu),，以用于網(wǎng)絡(luò)及外設(shè)的快速數(shù)據(jù)傳輸同時(shí)支持TCP/IP硬件加速,，以用于提升網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，并可通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)IP/TCP/UDP/ICMP/IGMP校驗(yàn)和計(jì)算以及ARP協(xié)議處理,。

通過(guò)軟件提供的TCP,UDP,ICMP,IGMP,IPv4,DHCP,BOOTP,ARP,DNS,SMTP,SNTP,uPnP,PPPoE和HTTP等協(xié)議可支持通過(guò)Wi-Fi或以太網(wǎng),、BOOTP和TFTP協(xié)議等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)；同時(shí)支持2個(gè)外部中斷源,，并支持2個(gè)優(yōu)先級(jí),。

（3）程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

AX22001/11內(nèi)置16KB SRAM 用于程序鏡像,，另有1MB的閃存用于MCPU和WCPU共享程序代碼空間,；芯片支持在系統(tǒng)編程（ISP），可透過(guò)UART或在線調(diào)試器（ICE）來(lái)進(jìn)行閃存的燒寫,；同時(shí)支持通過(guò)Wi-Fi,、以太網(wǎng)或串口燒寫應(yīng)用程序及更新啟動(dòng)代碼，即應(yīng)用中可編程（IAP）,。

啟動(dòng)時(shí),，可選擇復(fù)制MCPU 應(yīng)用程序代碼到外部SRAM 中運(yùn)行,，以提升系統(tǒng)性能。

此外,，AX22001/11還內(nèi)置用于MCPU的64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可通過(guò)外部?jī)?nèi)存接口擴(kuò)展到最大2MB,同時(shí)內(nèi)置用于WCPU的32KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,。

（4）Wi-Fi處理器和基帶控制器。

AX22001/11 中的Wi-Fi 處理器和其兼容802.11a/b/g的無(wú)線網(wǎng)MAC/基帶控制器可支持Infrastructure基礎(chǔ)架構(gòu)模式或Ad-Hoc對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模式（IBSS）,；同時(shí)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,，還支持802.11eQoS及1TX隊(duì)列，但可選AC為用戶的應(yīng)用數(shù)據(jù),；芯片集成有RXIQ ADC,TXIQ DAC 及TSSIADC,可用于連接RF收發(fā)器,；同時(shí)支持MCPU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與WCPU 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間以及WCPU 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與WLAN MAC之間通過(guò)DMA進(jìn)行以太網(wǎng)與Wi-Fi封包格式的轉(zhuǎn)換；也支持系列Wi-Fi管理幀及硬件加速,，如：MIC,、SHA-1/MD-5變換、AES key展開(kāi),、偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生（PRNG）及32位算法的硬件實(shí)現(xiàn)等,；此外，還支持3種Wi-Fi節(jié)電模式,，并可通過(guò)接收Beacon幀自動(dòng)喚醒,；此外，AX22001/11還提供有1個(gè)用于WCPU調(diào)試的串口,，1個(gè)外部中斷引腳和一個(gè)I2C總線接口,。

（5）10/100M 快速以太網(wǎng)MAC.

AX22001/11兼容IEEE 802.3 10Base-T/100Base-TX快速以太網(wǎng)規(guī)范，內(nèi)置用于封包緩存的專用12KBSRAM;可支持全雙工流控及半雙工背壓流控（backpressure）,；并提供有MII,RMII,Rev-MII和Rev-RMII接口,；另外，它也支持以太網(wǎng)遠(yuǎn)程喚醒,。

（6）外設(shè)通信接口,。

AX22001/11芯片有4個(gè)串口，其中2個(gè)支持DMA.調(diào)制解調(diào)器控制引腳可支援遠(yuǎn)程喚醒及最高921.6Kb/s波特率,；該芯片支持DMA的快速SPI接口（包括3個(gè)主模式接口或1個(gè)從模式接口）和一個(gè)支持DMA 的I2S或PCM 接口,，也支持DMA 的局域總線接口（主/從模式）和一個(gè)I2C接口（主/從模式）,；芯片具有5通道可編程計(jì)數(shù)器組和一個(gè)1-Wire總線接口，可提供4組GPIO,每組8位,；同時(shí)集成有32.768kHz振蕩電路（具有獨(dú)立的電源供應(yīng)引腳）,，可用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘和Wi-Fi節(jié)電模式的自動(dòng)喚醒定時(shí)器；此外,，芯片內(nèi)部集成有80MHz鎖相環(huán),，可外接40MHz晶振；同時(shí)集成了上電復(fù)位電路,；AX22001/11芯片采用128引腳LQFP封裝,，且符合RoHS規(guī)范；工作溫度范圍為：0℃~+70℃,。

1.3 AX22001/11的組成結(jié)構(gòu)

圖1所示為AX22001/11的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成框圖,。

該芯片由主處理器（MCPU）、Wi-Fi協(xié)處理器（WCPU）,、64KB數(shù)據(jù)RAM,、16 KB 程序RAM、1MB共用內(nèi)存,、時(shí)鐘及定時(shí)器,、TCP/IP加速引擎、DMA 引擎,、以太網(wǎng)MAC,、802.11a/b/g 的無(wú)線網(wǎng)MAC/基帶及ADC/DAC、SPI串行總線,、串口,、I2C總線和局域總線等組成。



圖1 AX22001/11的結(jié)構(gòu)框圖

2 基于AX22001/11的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2所示為采用AX22001/11及多種傳感器設(shè)計(jì)的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)/網(wǎng)絡(luò)傳感器及遙控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖,，圖中,，AX22001/11通過(guò)I2C總線與溫度傳感器相連，濕度傳感器,、雨量測(cè)量傳感器,、大氣壓力傳感器、風(fēng)向傳感器,、太陽(yáng)輻射傳感器及熱電偶傳感器則通過(guò)單總線與AX22001/11相連,，AX22001/11再通過(guò)通用輸入輸出GPIO與LED及繼電器相連，從而在LED上顯示傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù),，同時(shí)也可以通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)控制繼電器對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,。



圖2 基于Wi-Fi的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)/網(wǎng)絡(luò)傳感器及遙控系統(tǒng)

圖3是采用AX22001/11設(shè)計(jì)的串行接口與Wi-Fi轉(zhuǎn)換電路的系統(tǒng)框圖，該電路可支持多種串行通信模式，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的RS 232及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的RS485和RS 422總線,。



圖3 串行接口與Wi-Fi轉(zhuǎn)換電路

圖4是采用AX22001/11設(shè)計(jì)的ZigBee/藍(lán)牙與Wi-Fi轉(zhuǎn)換電路,。ZigBee/藍(lán)牙系統(tǒng)可通過(guò)高速同步串行口SPI或通用異步串行口UART 與AX22001/11相連。



 

圖4 ZigBee/藍(lán)牙與Wi-Fi轉(zhuǎn)換電路

圖5是通過(guò)Wi-Fi傳輸音頻信號(hào)的電路框圖,，音頻信號(hào)與AX22001/11相連可采用高速同步串行口SPI或I2C方式,。



圖5 基于Wi-Fi的音頻信號(hào)傳輸框圖

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著Wi-Fi基礎(chǔ)設(shè)施日益普及，支持多種擴(kuò)展接口的AX22001/11Wi-Fi單芯片即可提供具有成本優(yōu)勢(shì)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)解決方案,，以用于需要簡(jiǎn)單,、易用、低成本接入有線/無(wú)線局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)的各類嵌入式應(yīng)用,，如消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)智能型家電,、Wi-Fi無(wú)線音箱,、工業(yè)設(shè)備、保安系統(tǒng),、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集,、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程管理等,。