创建一个无线到以太网网桥

在许多工厂，都需要多功能、便携和多功能的手持设备。这样的手持设备应该能够从整个工厂有效地报告传感器数据、过程设置点、运行速率、时间表和其他操作关键信息。此外，这些手持设备需要显示从工厂收集到的实时数据。

设计师面临的挑战是将必要的智能有效地嵌入到这类仪器中，因为无线连接、计算能力和便携式设计要求往往会对成本造成巨大的上升压力。

系统设计

在本文中，您将了解16位微控制器(mcu)如何在假设的工厂手持设备中支持无线到以太网桥接的功能。逐步完成这种PDA类型设备的设计，展示如何同时使用以太网和无线协议，以及嵌入式技术的选择如何影响这种集成。

这种手持式具有低功耗，高耐用性，并且与典型的大尺寸工业质量手持式相比，更加紧凑和便携。手持式系统框图显示，MCU的选择决定了形式因素和连接能力。

例如，由于手持设备应该能够同时运行以太网和无线协议，以便在工厂的任何地方进行连接，因此仪器的系统设计需要一个具有足够处理能力和内存容量的MCU来处理这两种协议。

接下来，您需要确保所选择的MCU提供正确的外围设备组合。仪器设计需要两个串行外设接口(SPI)与无线和以太网收发器通信。并行接口也需要驱动LCD和/或连接到键盘。由于仪器需要非常紧凑，能够多路复用这些串行和并行端口，同时允许灵活的信号路由，这是至关重要的。

该仪器需要一个具有足够处理能力和内存容量的MCU来处理无线和以太网协议，以及两个SPI端口来与无线和以太网收发器通信。

无线网络标准

为了实现最简单的便携式设计，手持设备需要与基站连接，基站将收集和处理来自所有便携式设备的数据和命令。与基站的通信将主要通过无线协议进行，例如Microchip Technology的免费MiWi无线协议。该协议基于IEEE 802.15.4低数据速率无线个人区域网络(WPAN)标准，旨在支持传感和控制应用。

IEEE 802.15.4无线网络标准定义了三个频段，每个频段有固定数量的信道和相应的最大数据速率:2.4 GHz(16信道和250kbps)、915mhz(10信道和40kbps)和868mhz(1信道和20kbps)。

IEEE 802.15.4标准定义了几种设备类型。其中，是个人区域网络(PAN)协调员。PAN协调器发起网络，然后选择网络的通道和PAN ID。所有其他加入PAN的设备都必须向PAN协调器提交加入请求。在这个系统中，基站将作为PAN协调器来处理来自手持设备的所有流量，手持设备将是终端节点。

一个简单的网络协议，如MiWi协议，允许设计人员基于IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz频谱快速开发无线解决方案。(MAC层和PHY层基于相同的IEEE 802.15.4规范。)MiWi协议的网络层和应用层提供了查找、形成和加入网络的功能，以及发现网络上的节点和路由与它们之间的数据包。MiWi协议在最大容量时可以处理网络上的1024个节点。

这种类型的手持设备不应与数据采集(DAQ)系统相混淆，后者从工厂中的传感器收集数据。DAQ系统可以是一种设备，例如可编程逻辑控制器(PLC)，它通过局域网或任何其他工业通信接口进行接口。

如系统框图所示，基站在本文描述的手持设备和DAQ系统之间传输数据。我们的手持仪器是一个数据传递系统，其中数据以有意义的格式呈现，取决于应用程序的需求。

以基站为中心的系统设计可以同时处理多个不同级别的用户。例如，设计人员可以将用户分类，允许少数用户执行关键数据处理，而限制其他用户查看一般数据。

处理能力和连通性

我们的手持设计具有三种通信方式:miwi协议无线连接到基站;以太网连接;还有一个图形界面。作为该设计的一部分，将有一个PC应用程序为基站(以及目前通过以太网连接的任何手持设备)提供数据，因此基站可以通过MiWi协议无线中继数据。在这种情况下，基站充当“MiWi路由器”。

作为另一种选择，基站可以配置为从工厂中的以太网设备或网络上的数据库获取数据，然后通过MiWi和以太网将信息中继到手持设备。基站还可以通过网络向手持设备推送软件更新。

基于这些设计考虑，使用16位MCU是合乎逻辑的，因为它满足处理能力要求并提供外围支持。为了便于携带，请选择28针的封装。这样一个具有所需外设的设备允许一个设备容纳大约六个按钮或一个带有几个按钮的触摸屏。触摸屏的显示数据可以存储在MCU的闪存中，或者操作员可以使用外部闪存芯片存储图形，然后可以在相同的并行总线上引用。

利用16位mcu

一些最新的16位mcu具有面向这种设计的功能集。例如，Microchip PIC24FJ64GA004系列mcu提供了这种类型仪器所需的高灵活性、小尺寸和低功耗。特性包括并行主端口(PMP)，这是一个具有可配置控制线的通用并行数据端口。这允许PMP端口与任何并行端口设备一起工作，因此，可以驱动任何具有并行接口的LCD。MCU的外设引脚选择(PPS)允许通过软件将外设映射到I/O引脚，以减少I/O线的数量。

大多数16位mcu支持节能手持设计。例如，16位MCU通常支持三种电源管理模式:睡眠模式，MCU和时钟关闭;空闲模式，其中MCU核心被关闭，但外设保持运行;打盹模式，允许时钟和外设以不同的速度运行。此外，芯片上的调节器可以打开或关闭，允许mcu使用两节AA电池或锂硬币电池供电。

这种手持式设计可以在现场部署，成本比改装的工业pda低得多。尽管它们没有那么复杂，也没有昂贵的专有IP，但它们是非常实用的设备，可以提高生产力。此外，它们可以从头开始设计用于工业应用，而不是从消费电子设备中取出内脏并将其放入坚固的外壳中。

注:PIC和MiWi为Microchip Technology Inc.的注册商标。所有其他商标均为其各自公司的财产。

作者信息

Brant Ivey是微芯片技术公司高级微控制器架构部门的应用工程师，

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