讲师博文
周围数十亿个电子设备和系统中的每个嵌入式系统都可以满足非常广泛的应用中的特定专用目的，例如医疗诊断，地质分析，电子监控，收银机，列表几乎无穷无尽。
他们都使用微控制器来实现其功能的一部分，并且大多数都与外界进行通信-与其他设备或控制系统或人机界面。通过无线方式的连接为嵌入式系统提供了很大的灵活性，实际上，在许多情况下，无线是唯一可能的方式。
在本文中，我们研究了如何将基于IEEE 802.11n标准的无线连接集成到嵌入式系统中，提供一种面向未来的通用IP网络，并实现“物联网”。
在整个本文中，我们使用术语WLAN来指代IEEE 802.11标准定义的无线协议。该术语可与流行的“ Wi-Fi”互换使用。
嵌入式系统的一般特性嵌入式系统
的通用体系结构如图1所示。核心控制功能在微控制器中实现，专用的硬件接口和外设提供了特定系统所需的特殊功能。
例如，系统中的特定组件可能包括温度传感器，执行器，小键盘，LCD显示器或照相机。由于这些系统在很大程度上是特定于应用程序的，因此它们倾向于利用应用程序所需的最少组件集。
因此，内存是有限的，微控制器的特性-时钟速度，位数和接口-通常仅足以运行应用程序功能。因此，在大多数情况下，仅在几乎不需要额外开销的情况下，引入新的连接机制才是可行的。
图1：通用嵌入式系统的组件
连接性有几种形式。例如，具有专有数据格式的硬线链接，承载专有数据的标准点对点串行链接，或基于IP的网络连接，可跨企业网络或Internet传输数据。
显而易见，基于标准IP的传输在嵌入式系统中提供了最大的灵活性。要付出的代价是实施的复杂性。
此外，许多嵌入式设备都由电池供电-通常是由于其部署的环境和所服务的应用程序的性质。这些设备自然倾向于使用无线链路，通过该链路可以保持恒定的连接性。
在这种情况下，最好的选择是最节能的无线机制，该机制也直接提供基于IP的传输。下面的图2 展示了一个具有点对点串行链接的嵌入式系统，显示了数据传输的格式。
图2：通过专有串行链接进行通信的嵌入式设备
串行链路将嵌入式设备物理连接到其控制器，其明显的局限性是使两者接近，并且不能灵活地将控制功能替代任何其他设备。这些限制可以通过基于IP的无线传输来解决。
有几种无线选项可用。我们的重点是IEEE 802.11n无线局域网，但首先我们简要介绍一下蓝牙和Zigbee。蓝牙是一种无线协议，用于在短距离内交换数据，并且广泛用于音频耳机。Zigbee是主要针对传感器网络的低功耗无线通信规范。
但是，这两种协议都有两个缺点。首先，与其他协议（例如WLAN）相比，它们提供的广播数据速率较低，因此花费更多的时间在空中传输数据。总体而言，他们因此花费更多的精力来传输给定数量的信息。
其次，它们需要复杂的网络堆栈-特别是在需要基于IP的传输接口时。下面的图3 显示了一种方案，其中嵌入式设备配备了WLAN接口，因此可以连接到其控制器在基于IP的网络中的任何位置。
图3：具有WLAN接口连接到局域网的嵌入式系统
如图3所示的嵌入式系统。此处使用微控制器的串行或UART接口连接到WLAN模块。接口的另一个常见选择是串行编程接口或SPI。SPI提供了一个同步串行链路，其数据速率可能比UART高得多。取决于所使用的微控制器，SPI时钟速度可以扩展到50 MHz甚至更高。
IEEE 802.11n的优势
当前集成了802.11 WLAN的大多数嵌入式设备都使用传统的802.11b或802.11g标准。这些方法提供的数据速率已被认为足以用于这些设备交换的相对少量的数据，并且实际上，从嵌入式设备的角度来看，802.11b / g数据速率很容易满足其传输要求。
但是，企业越来越倾向于基于802.11n的无线网络的部署。IEEE 802.11n标准定义了物理层和MAC层特性，以显着提高在给定频道中可以实现的最终用户吞吐量。它还定义了一种在比传统WLAN更大的操作范围内实现高吞吐量的方法。
由于这种“高吞吐量”的推动力，802.11n标准通常与高性能计算平台之间的高速通信相关联。鲜为人知但同样重要的是，它可以更有效地利用可用频谱。
但是，只有在无线网络上的所有节点都能够使用802.11n方法进行通信或与11n兼容时，才能完全实现802.11n的优势。
网络中遗留802.11a / b / g节点的存在迫使其他802.11n节点诉诸使用保护机制来维护网络完整性，从而使整体网络容量减少30％或更多。
集成801.11n
将WLAN子系统与基于微控制器的设备连接需要考虑几个因素，包括物理和电气规格，接口选择，主机负载，软件架构，节能机制，无线性能和认证。
WLAN子系统的主要组件是媒体访问控制器（MAC），基带处理器（BBP），模拟前端，RF收发器，功率放大器和其他RF前端组件，如下图4所示。
图4：自包含的WLAN子系统的组件
子系统需要稳定的频率参考，通常由晶体振荡器提供。在某些系统中，频率参考源可以在多个功能子系统之间共享。
RF传输是通过天线安装的，天线可以安装在板上，也可以位于外部。通过选择完全独立的WLAN模块，可以最大程度地降低集成工作量。这种方法有几个好处。
WLAN模块已经过无线性能验证和校准。由于模块中存在所有关键的RF电路，并且通常将其封装在屏蔽中，因此在集成到嵌入式系统中时不会出现性能下降的情况。
因此，简化了电路板的布局和组装。即使在使用外部天线的情况下，通常使用微型同轴连接器和RF电缆也可以降低连接的复杂性。自包含模块也可以独立于最终产品进行认证。
FCC和认证机构允许进行“模块认证”，其中可以对无线模块进行认证，然后直接在系统中使用，而无需进一步认证。具有如图4所示架构的模块将符合所有必要的准则。下面的图5 是说明这种模块的照片。
图5：独立的WLAN模块的图像。
电源的理想规格是单个电压输入，所有其他电压均由模块内的电源管理单元（PMU）产生。PMU还用于控制子系统内各个模块的单独电源，以用于节能模式。
选择与微控制器的接口有多种可能性。USB，PCI或PCIe等接口用于需要高数据吞吐量的系统中，例如存储设备，无线路由器和笔记本电脑。
但是，在我们目前对嵌入式设备的关注中，通常是从包括SDIO，SPI和UART在内的几种低功耗接口中选择一种。安全数字I / O（SDIO）接口使用标准化协议定义跨同步总线的一或四位数据传输。
SDIO可能具有高达50 MHz的时钟速率，因此可提供高数据吞吐量，并用于相对高端的嵌入式系统，尤其是那些传输大量数据（如视频或图像）的嵌入式系统。高端微控制器提供SDIO接口，几乎总是与常驻操作系统结合使用，而普通的通用16位或8位微控制器则不提供。
在后一种情况下，WLAN集成商可以在串行外围设备接口（SPI）和串行UART接口之间进行选择。SPI是具有同步数据时钟的串行接口，可用于以字节为导向的“地址后跟数据”格式传输数据块。
该接口通常由固件配置，从一种微控制器类型到另一种微控制器类型，可能会略有不同。SPI是一种低功耗接口，可以提供高达15 Mbps或更高的相当高的应用级别数据吞吐量。
具有SPI接口的微控制器应用程序不一定将操作系统用作其软件环境的一部分。SPI接口的同步特性提供了一种独特的节能机制，“在无线活动很少的时间段内，大多数WLAN模块的模块可能处于低功耗睡眠状态，并且时钟已关闭，而主机接口可能仍处于并使用SPI时钟从主机接收数据。
某些WLAN模块 通过在其他节电实践中使用它来最大程度地提高能效。
UART异步串行接口是微控制器中最常用的数据传输机制。实际上，没有微控制器没有UART接口是众所周知的。因此，嵌入式设备通常通过串行UART接口集成WLAN模块。
接口的吞吐量受到限制-虽然可能会达到几Mbps的波特率，但大多数实现将其限制为115.2 kbps或更小。UART方案通过特殊的“ AT命令”或指示器提供控制或数据的传输。
软件体系结构是将无线LAN集成到嵌入式系统中的重要方面。WLAN协议有其自己的数据和连接管理要求，而其他软件负担则以TCP / IP网络堆栈和网络配置的形式出现。下面的图6 显示了与通过802.11 WLAN进行数据传输相关的典型完整软件堆栈。
图6：802.11无线数据传输的软件组件
可以看出，图6中的体系结构包括在主机处理器中执行的大量软件功能。由于所需的软件集成程度，将嵌入式设备从简单的有线连接升级到具有WLAN和基于IP的网络堆栈的问题特别严重。
这就是为什么使用完全实现所有所需软件的WLAN模块通常是最佳选择的原因。下面的图7 显示了在这种情况下主机微控制器和WLAN模块之间的软件功能划分。
图7：嵌入式设备的软件架构，其中所有网络和WLAN功能都驻留在WLAN模块中
WLAN模块中驻留的WLAN功能
通过在WLAN子系统中提供无线配置更新机制，可以进一步减少嵌入式设备上与无线连接相关的操作规定。
在设备部署期间，将建立到默认无线基础结构配置的无线连接。建立连接后，可以调用配置更新固件功能来修改连接参数。
然后可以重新建立与新指定的无线网络的连接。总之，理想情况下，WLAN模块的软件功能应包括：
*符合802.11b / g和单流802.11n
*所有协议和配置功能均可在Open和WPA / WPA2安全操作模式下实现WLAN连接
*串行UART或SPI主机接口
* TCP和UDP连接的终止，并提供透明串行调制解调器功能
*通过UART或无线方式进行配置更新
*临时模式和基础架构模式，以实现最大的部署灵活性
*实施细粒度的节能方法
*漫游机制可实现整个企业的无缝连接
*传输速率适配可扩展操作范围
但是，在某些情况下，嵌入式系统已经使用TCP / IP网络堆栈构建。在这些情况下，WLAN模块必须提供绕过其网络堆栈的功能，因此只能处理WLAN传输。
开发路径–评估套件的
使用嵌入式设备的用途实际上很简单，但实际上是各种硬件和软件组件的巨大集合。设计人员很少要做–应对一系列任务，包括电路板设计，组件选择，子系统配置，定义性能期望，创建验证环境等，这些都是“一开始就可以正确解决的”。
他们最常遵循的路线是通过使用领先的微控制器供应商提供的多功能灵活的评估或开发套件。这些套件提供了解决设计，性能和集成问题的理想开发平台。WLAN集成自然也应该落入这条道路。
今天，嵌入式开发工程师可以使用WLAN供应商的评估板，这些评估板集成了目标无线模块，并提供了直接插入其所选微控制器开发套件的现成接口。这些评估板随附已移植到或易于移植到所选微控制器平台上的软件。
完整的开发套件的典型内容还包括一个预配置的无线访问点。因此，可以快速将WLAN接口包含在开发环境中，并且可以通过嵌入式设备的开发，验证和优化直接使用。
总而言之，物联网将在未来几年内增加数十亿台设备。基于IEEE 802.11n标准的无线LAN将成为这些设备中连接的主要手段，对于当今的系统设计人员而言，正确选择微控制器平台和Wi-Fi模块对于确保在这一有前途的市场中成功部署至关重要。
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