基于嵌入式Wi-Fi單芯片AX22001的無線系統(tǒng)設(shè)計

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來遙控各種嵌入式設(shè)備，使支持機(jī)器對機(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的主流需求。而在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，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來進(jìn)行Wi-Fi系統(tǒng)的設(shè)計。AX22001/11處理器可提供具有成本優(yōu)勢的嵌入式網(wǎng)絡(luò)解決方案，以用于需要簡單、易用、低成本接入有線/無線局域網(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為例來說明其基本特性。

AX22011屬于內(nèi)置802.11無線網(wǎng)MAC/基帶的單芯片TCP/IP微處理器，可提供高性能雙CPU內(nèi)核及用于代碼存儲的1MB共享閃存，同時內(nèi)嵌用于主處理器（MCPU）的64KB數(shù)據(jù)存儲器及用于Wi-Fi處理器（WCPU）的32KB數(shù)據(jù)存儲器，而內(nèi)置的TCP/IP 加速器兼容802.11a/b/g 的無線網(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器以及3個16位定時/計數(shù)器，毫秒定時器及實時時鐘（RTC）控制器，可支持通過在線仿真接口（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，并可通過硬件實現(xiàn)IP/TCP/UDP/ICMP/IGMP校驗和計算以及ARP協(xié)議處理。

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

（3）程序和數(shù)據(jù)存儲器。

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UART或在線調(diào)試器（ICE）來進(jìn)行閃存的燒寫；同時支持通過Wi-Fi、以太網(wǎng)或串口燒寫應(yīng)用程序及更新啟動代碼，即應(yīng)用中可編程（IAP）。

啟動時，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)存儲器可通過外部內(nèi)存接口擴(kuò)展到最大2MB,同時內(nèi)置用于WCPU的32KB數(shù)據(jù)存儲器。

（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對等網(wǎng)絡(luò)模式（IBSS）；同時支持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；同時支持MCPU數(shù)據(jù)存儲器與WCPU 數(shù)據(jù)存儲器之間以及WCPU 數(shù)據(jù)存儲器與WLAN MAC之間通過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、偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生（PRNG）及32位算法的硬件實現(xiàn)等；此外，還支持3種Wi-Fi節(jié)電模式，并可通過接收Beacon幀自動喚醒；此外，AX22001/11還提供有1個用于WCPU調(diào)試的串口，1個外部中斷引腳和一個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個串口，其中2個支持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個主模式接口或1個從模式接口）和一個支持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I2C接口（主/從模式）；芯片具有5通道可編程計數(shù)器組和一個1-Wire總線接口，可提供4組GPIO,每組8位；同時集成有32.768kHz振蕩電路（具有獨(dú)立的電源供應(yīng)引腳），可用于實時時鐘和Wi-Fi節(jié)電模式的自動喚醒定時器；此外，芯片內(nèi)部集成有80MHz鎖相環(huán)，可外接40MHz晶振；同時集成了上電復(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、時鐘及定時器、TCP/IP加速引擎、DMA 引擎、以太網(wǎng)MAC、802.11a/b/g 的無線網(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

圖2所示為采用AX22001/11及多種傳感器設(shè)計的無線環(huán)境監(jiān)測/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I2C總線與溫度傳感器相連，濕度傳感器、雨量測量傳感器、大氣壓力傳感器、風(fēng)向傳感器、太陽輻射傳感器及熱電偶傳感器則通過單總線與AX22001/11相連，AX22001/11再通過通用輸入輸出GPIO與LED及繼電器相連，從而在LED上顯示傳感器測得的數(shù)據(jù)，同時也可以通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)控制繼電器對電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

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

圖3是采用AX22001/11設(shè)計的串行接口與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)對點(diǎn)的RS 232及點(diǎn)對多點(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)計的ZigBee/藍(lán)牙與Wi-Fi轉(zhuǎn)換電路。ZigBee/藍(lán)牙系統(tǒng)可通過高速同步串行口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Wi-Fi傳輸音頻信號的電路框圖，音頻信號與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的音頻信號傳輸框圖

3 結(jié) 語

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)勢的嵌入式網(wǎng)絡(luò)解決方案，以用于需要簡單、易用、低成本接入有線/無線局域網(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)測及遠(yuǎn)程管理等。