多功能、便攜式以及通用手持設(shè)備成為許多工廠的需求。這種便攜式手持設(shè)備能在工廠的各個地點有效的傳送傳感器數(shù)據(jù)，處理設(shè)定值、運行速度、運行進(jìn)度和其它重要運行信息。而且這些便攜式手持設(shè)備需要顯示所連接設(shè)備的實時數(shù)據(jù)。
在有效控制成本同時把需要的功能嵌入這類設(shè)備對設(shè)計者是一種挑戰(zhàn)，設(shè)備要求具有無線連接功能，數(shù)據(jù)處理功能同時還要滿足方便攜帶的要求，這些設(shè)計都將增加成本支出。
設(shè)備需要足夠強(qiáng)大的微控制器和足夠大的存儲器以支持無線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)兩種協(xié)議，以及2個串行通訊接口與無線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)收發(fā)器通訊。 系統(tǒng)設(shè)計
本文從理論的角度向讀者闡述16位微控制器(MCUs)如何支持工廠手持設(shè)備的無線局域網(wǎng)功能。通過介紹這個便攜式智能設(shè)備的設(shè)計步驟向讀者展示如何兼容以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以及嵌入技術(shù)決策對綜合性能的影響。
與傳統(tǒng)大型工業(yè)移動設(shè)備相比，這種手持設(shè)備具有低功耗、高耐用性、設(shè)計更加緊湊、便于攜帶的特點。設(shè)備的系統(tǒng)圖表明了微控制器的選擇決定了設(shè)備的形態(tài)和連接能力。
比如，手持設(shè)備必須能運行以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)兩種協(xié)議才能在工廠的任何地方連接，所以設(shè)計系統(tǒng)時需要選擇的微控制器具有足夠強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理性能和存儲功能以支持兩種協(xié)議。
其次，你需要確定選擇的微控制器配置有合適的外設(shè)接口。設(shè)備設(shè)計需要2個串行外設(shè)接口(SPI)便于與無線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)收發(fā)器進(jìn)行通訊。還需要一個并行接口去驅(qū)動液晶顯示器和(或)鍵盤。儀表設(shè)計必需非常緊湊，同時還需融合串、并行接口，以滿足信號路由的靈活性，這是設(shè)計中的重點。
在這項設(shè)計里，輕巧的便攜設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)與存儲數(shù)據(jù)的基站連接。 無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)
為了能實現(xiàn)最簡單的便攜式設(shè)計，手持設(shè)備需要和基站連接，基站接受、處理所有手持設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)和命令。設(shè)備和基站通訊主要通過無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如微芯科技的開放MiWi無線協(xié)議。此協(xié)議用來支持傳感和控制應(yīng)用，它是建立在IEEE 802.15.4低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)（WPAN）標(biāo)準(zhǔn)之上的。
IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)定義了3個頻段，每個頻段有固定的通道數(shù)量和最大的數(shù)據(jù)通訊速率：2.4GHZ(16通道，250kbps)，915MHZ(10通道，40kbps)，868MHZ(1通道，20kbps)。
IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)還定義了若干設(shè)備，其中包括個人網(wǎng)(PAN)協(xié)調(diào)器。PAN協(xié)調(diào)器初始化網(wǎng)絡(luò)，選擇網(wǎng)絡(luò)的通道和PAN ID號。所有想連入PAN的設(shè)備都必須向PAN協(xié)調(diào)器發(fā)出接入請求。在這個系統(tǒng)中，基站充當(dāng)PAN協(xié)調(diào)器，處理與作為網(wǎng)絡(luò)的末端節(jié)點手持設(shè)備之間的通訊。
簡單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如MiWi協(xié)議，允許設(shè)計者在IEEE 802.15.4協(xié)議2.4G頻段基礎(chǔ)上迅速建立無線網(wǎng)絡(luò)解決方案。(媒介存取控制層和物理層建立在同樣的IEEE 802.15.4協(xié)議之上) MiWi協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層使設(shè)備能夠?qū)ふ�、組織、連接網(wǎng)絡(luò)的功能，能發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點并且向其發(fā)送和接受數(shù)據(jù)包。MiWi協(xié)議在一個網(wǎng)絡(luò)中最大能支持1024個節(jié)點。
這種便攜式設(shè)備不能和數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)混為一談，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能是采集工廠中傳感器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可能是如可編程序控制器(PLC)這樣的設(shè)備，它連接在局域網(wǎng)或其它工業(yè)通訊接口上。
如系統(tǒng)塊圖上所示，基站在手持設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。手持設(shè)備是一個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，數(shù)據(jù)根據(jù)應(yīng)用需要，以特定意義的格式進(jìn)行傳輸。
以基站為中心的系統(tǒng)設(shè)計能同時處理多個不同級別的用戶使用需求。比如，設(shè)計者能將用戶分門別類，允許一部分用戶處理重要數(shù)據(jù)，而限制其它普通用戶權(quán)限，使他們只能查看普通數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)處理能力和連接性
我們的手持設(shè)備設(shè)計了3種通訊方式：通過MiWi協(xié)議與基站的無線連接；以太網(wǎng)連接；圖形界面。作為這種設(shè)計的一部分，利用一臺計算機(jī)工作站為基站提供數(shù)據(jù)服務(wù)(同時也處理連接在以太網(wǎng)上的手持設(shè)備數(shù)據(jù))，基站可以通過MiWi協(xié)議及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。在這種情況下基站充當(dāng)了“MiWi路由器”的作用。
另一種方案是基站從工廠以太網(wǎng)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，再通過MiWi和以太網(wǎng)傳輸?shù)绞殖衷O(shè)備�；具�能把軟件更新傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的每個手持設(shè)備。
基于這些設(shè)計的考慮，采用一個16位微控制器是合理的選擇，它不僅能滿足數(shù)據(jù)處理能力的要求而且提供足夠的外設(shè)支持。為了滿足便攜性，選擇28針腳封裝。有了這種微控制器和必要的外設(shè)就可以連接約6個按鈕或帶按鍵的觸摸屏。觸摸屏的顯示數(shù)據(jù)可以存儲在微控制器的閃存中，也可以存儲在擴(kuò)展閃存芯片中，無論存在哪里，數(shù)據(jù)都可以通過并行總線進(jìn)行引用。 了解16位微控制器
一些最新的16位微控制器非常適合這類設(shè)計。例如，Microchip的PIC24FJ64GA004系列微控制器具有這類設(shè)備需要的高靈活性、體積小和低功耗的特點。此外，該微控制器還配有并行主接口(PMP)，這是一種通用并行數(shù)據(jù)接口帶有可配置控制線，因此系統(tǒng)能夠連接任何帶并行數(shù)據(jù)接口的設(shè)備，能夠驅(qū)動任何帶并行數(shù)據(jù)接口的液晶顯示器。微控制器的外設(shè)針腳映射選擇功能(PPS)能通過軟件把外設(shè)映射到輸入輸出針腳以減少輸入輸出通道。
大多數(shù)16位微控制器能滿足節(jié)能型便攜式手持設(shè)備的設(shè)計。比如16位微控制器通常能支持3種電源節(jié)能模式：在休眠模式下，關(guān)閉微控制器和時鐘頻率；在空閑模式下，關(guān)閉微控制器但外設(shè)仍在運行；在待機(jī)模式下，允許時鐘頻率和外設(shè)運行在不同的速率上。另外，還能控制片上調(diào)節(jié)器的開關(guān)，這樣微控制器只需2節(jié)AA電池或一節(jié)鋰電池就能工作。
工業(yè)現(xiàn)場配備這種便攜式手持設(shè)備的成本要比升級各種工業(yè)PDA便宜許多。相比PDA，手持設(shè)備沒有花哨的功能也用不著花大價錢構(gòu)建網(wǎng)際協(xié)議，但它們依然功能強(qiáng)大，能夠有效提高生產(chǎn)能力。而且它們完全為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計，拋棄了消費電子產(chǎn)品的外殼，換而采用更適合工業(yè)現(xiàn)場的外殼保護(hù)。
注意：PIC和MiWi是Microchip Technology Inc的專利注冊商標(biāo)。文中其它專利也屬其各自公司的財產(chǎn)。 |
