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无线技术
揭示实现单芯片无线ZigBee应用解决方案所需的各项功能
录入时间:2011-3-2 11:52:48

Magnus Pedersen爱特梅尔公司无线解决方案总监 

ZigBee®是作为开放式全球标准而开发的无线技术,可以满足低成本、低功耗无线设备到设备 (M2M) 网络的独特要求。随着这种技术正迅速成为无线领域的首选协议,最近业界针对家庭自动化、智能能源、楼宇自动化和医疗保健等多个初始无线市场发布了数个ZigBee公共规范 (ZigBee public profile),并迅速成为主流协议。同时,ZigBee RF4CE针对用于消费电子的RF技术,已被定义为射频遥控的新标准。RF4CE标准能够实现非‘视距’ (line of sight) 遥控操作,也就是说目标设备在遥控器视线以外也仍然能够遥控操作。该标准基于 IEEE 802.15.4 ,并将在消费电子应用领域取代红外遥控装置,后者目前的年出货量达50万个单元。随着ZigBee解决方案逐渐变成‘现实’,设计人员开始寻找具备集成式功能以提供完整解决方案的最佳方案。

这些新无线协议的发布,意味着设计人员必须拥有支持这些协议的合适硬件和集成式单芯片解决方案。不少公司,比如爱特梅尔 (www.atmel.com/wireless),就拥有这样的完全集成的解决方案,在一个单芯片解决方案中集成了该公司的专有AVR®微控制器和一个RF 收发器。该RF 收发器是一款低功耗2.4 GHz无线收发器,专门针对工业和消费IEEE 802.15.4、ZigBee、6LoWPAN、RF4CE 和高数据率2.4 GHz ISM band applications. The radio transceiver is a true peripheral block of the Atmel megaAVR microcontroller. This single-chip solution includes all RF-critical components except the antenna, crystal and decoupling capacitors. These solutions are especially suitable for low-power wireless applications, such as wireless sensor networks, industrial control, sensing and automation, residential and commercial automation, health care, consumer electronics and PC peripherals. 

Since many wireless applications require ultra-low power consumption to enable longer battery life for portable applications, it becomes increasingly more important to keep the power low in the hardware solution. Atmel’s wireless solution does exactly that and also enables a reduced development cost and decreases design time and ultimately production costs for the system engineers.

Hz应用而设计。 

在单芯片解决方案中,有数项功能是为设计人员提供最终解决方案所必须的,其中包括出色的RF性能 、低功耗、AES 128位加密引擎、天线分集和高数据率以及多用途硬件加速器。

无线单芯片解决方案必须具有出色的RF性能,或者更高的链路预算,以确保无线系统设计的稳健可靠。链路预算定义为接收器 (RX) 灵敏度和发射器 (TX) 输出功率之间的动态范围。良好的解决方案必须能够以最小的电源电流,提供业界领先的RX灵敏度和TX 输出功率。设计人员也可以使用天线分集功能来进一步提高无线系统的稳健性。

另外,在设计产品时,尽量减小耗电量以延长电池寿命并降低总体维护成本也是非常重要的。电池供电的无线设备可能是调温器和环境传感器、或者是气表和水表,而它们大部分时间都处于睡眠状态。这些设备一般都采用ZigBee应用来传输数据,因此只有很少一部分时间在‘工作’。无线产品的典型寿命要求,是在单电池供电下的12-15年免维修使用期。使用最新的低功耗技术也将会拓展无电池装置和能量收集设备的应用领域。

安全性是另一大关键特性。ZigBee应用需要利用先进加密标准AES来进行数据的加密和解密。现在有一些基于软件的加密解决方案,但其处理速度却很受限制。不过,利用爱特梅尔的解决方案,可以采用硬件来实现加密引擎,因此能够确保很高的加密性能,这样,设备用于处理上的时间减少,而有更多的时间是处于睡眠模式中,因此能够节省能量。此外,这种加密功能增添到高速通信中又不会对性能造成任何影响,这就使它成为那些要求安全性、加密通信和低功耗的无线和电池供电应用的理想解决方案。

天线分集通常也称为空间分集,是众多采用两个或更多条天线来提高无线链路的质量及可靠性的无线分集方案的一种。在这个例子中,信号是在多条路径之间被反射后才被接收,而不是在发射器和接收器之间的普通清晰视距内被接收。当信号来回反弹时,可能会产生额外的环境干扰。天线分集方案对缓减这类多路径效应十分有效,器件会从两条天线中选择RF信号路径最可靠的一条,以转移器件中的额外干扰。

若系统要求较高的数据吞吐量,其无线设备的设计便需要有更大的数据率。象爱特梅尔的单芯片无线解决方案等解决方案,就能够提供高达每秒2 Mbit的高数据率。利用更高的数据率,就可以大幅度减少空中传输时间,节省更多的能量。另外,更高的数据率还能够实现需要更大数据吞吐量的应用,例如视频门禁系统等产品的音频及视频传输。更高数据率的关键问题在于必须确保它不会影响到任何其它功能,而爱特梅尔的产品就能够做到这一点。

爱特梅尔推出的无线器件ATmega128RFA,是瞄准ZigBee 和 IPv6/6LoWPAN等标准兼容解决方案来设计的。它们适合于专有无线网格网操作系统 (OS),如Synapse SNAP® 网络操作系统。而且,它们还将实现无线网格网,以提高产能,加快应用开发和空中编程。设计人员可以拥有立刻可用 (ready-to-use) 的无线MCU解决方案的所有功能和SNAP OS附带的各种工具及特性。

SNAP能够提供真正的端到端网格网,这种网络具有即时启动、自我修复、多跳以及可靠支持爱特梅尔的数据率等多项优势。此外,Synapse Portal无额外的成本,并提供有完整的软件开发环境,能够轻易、快速又可靠地开发应用。再结合SNAP Connect,应用就可以无缝延伸到互联网,并与全球任何地方的其它设备进行交互。SNAP支持标准远程过程调用 (RPC),可以把爱特梅尔 MCU作为网络中一个完全成熟独立的计算机,从而充分发挥其能力。

对任何无线产品而言,其功能性和性能都取决于实际所采用的硬件和固件,故应该确保最大的灵活性和更少的无线系统维护成本,比如应具有空中升级 (OTAU) 功能以备未来固件升级之用。ZigBee及其它无线应用都包含了完全透明的稳健可靠的OTAU功能性,这样一来,在系统升级的同时,应用仍然可以保持运行状态。

最后,选择正确的无线微控制器解决方案至关重要。理想的解决方案应该具有所有必需的功能,而且这些功能集成在单芯片上,以节省板上占位空间,降低功耗;并实现ZigBee及其它无线产品。

 


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