史巖 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 陜西西安 710065

1 引言

“物聯(lián)網(wǎng)”、“云計(jì)算”是近年來IT領(lǐng)域比較活躍的概念，然而在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定的問題。例如，物聯(lián)網(wǎng)感知層的數(shù)據(jù)量大而且復(fù)雜，在實(shí)時(shí)性要求較高的情況下，海量數(shù)據(jù)的過濾、處理、傳輸和應(yīng)用是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在此背景下，高性能微型化計(jì)算機(jī)是未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要方向，目前微型化計(jì)算機(jī)仍以傳統(tǒng)的以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)通信方式，以太網(wǎng)存在部署成本高，靈活性差等缺點(diǎn)。本文提出了一種基于SPI接口的微型化計(jì)算機(jī)WIFI模塊設(shè)計(jì)方案，完成了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，使用無線網(wǎng)絡(luò)通信的方式解決了上述問題。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

微型化計(jì)算機(jī)模塊由四部分功能單元組成：以太網(wǎng)單元、輸入輸出單元、無線網(wǎng)絡(luò)單元和數(shù)據(jù)處理單元。微型化計(jì)算機(jī)模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)單元與遠(yuǎn)端微型化計(jì)算機(jī)連接，通過以太網(wǎng)接口與骨干網(wǎng)絡(luò)連接。無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，其中AP為無線接入點(diǎn)，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，訪問控制等；STA為無線站點(diǎn)，連接入AP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖1 微型化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

無線網(wǎng)絡(luò)單元采用智能化設(shè)計(jì)，由WIFI模塊硬件與軟件組成，通過SPI接口與數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行控制命令、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換。

3 WIFI模塊硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)框圖

微型化計(jì)算機(jī)模塊硬件主要由WIFI模塊和數(shù)據(jù)處理模塊兩部分組成，WIFI模塊以CC3200為核心微控制器，包括時(shí)鐘電路，F(xiàn)LASH電路，接口電路，射頻電路；數(shù)據(jù)處理模塊以FH8812為核心。微型化計(jì)算機(jī)WIFI模塊采用一體化設(shè)計(jì)，AP、STA工作模式支持軟件配置。其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 微型化計(jì)算機(jī)WIFI模塊組成結(jié)構(gòu)

3.2 CC3200無線微控制器

無線網(wǎng)絡(luò)芯片選用TI公司的單芯片無線微控制器，型號(hào)為CC3200。CC3200主要由片內(nèi)處理器，網(wǎng)絡(luò)處理器，外部接口，電源管理，系統(tǒng)控制，片內(nèi)存儲(chǔ)器等部分組成。MCU中集成了兩個(gè)處理器，ARM Cortex-M4處理器，工作頻率為80MHz，主要負(fù)責(zé)兩部分工作，一部分工作為無線網(wǎng)絡(luò)管理、通信調(diào)度，另一部分工作為與處理器模塊之間通過SPI進(jìn)行控制命令的響應(yīng)及數(shù)據(jù)的收發(fā)；WIFI網(wǎng)絡(luò)處理子系統(tǒng)由專用的MCU進(jìn)行管理，集成了無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。CC3200可工作在Station模式、AP模式及WIFI直連模。硬件調(diào)試通過IEEE 1149.1 JTAG接口。

3.3 SPI接口設(shè)計(jì)

CC3200集成SPI接口，其功能如下：可配置主、從模式；支持DMA；字長(zhǎng)8、16或32位；最高20MHz。

SPI接口設(shè)計(jì)原理如下：

a)主出從入GSPI_MOSI：主設(shè)備輸出數(shù)據(jù)，從設(shè)備輸入數(shù)據(jù)；

b)主入從出GSPI_MISO：主設(shè)備輸入數(shù)據(jù)，從設(shè)備輸出數(shù)據(jù)；

c)串行時(shí)鐘GSPI_CLK：主設(shè)備輸出，從設(shè)備輸入，用于同步數(shù)據(jù)位；

d)從設(shè)備選擇GSPI_CS：主設(shè)備輸出，從設(shè)備輸入，低電平有效。

在本設(shè)計(jì)中，SPI主為FH8812，SPI從為CC3200。

3.4 電源設(shè)計(jì)

CC3200的電源管理子系統(tǒng)包含了DC-DC變換器（直流電壓變換器），用于支持不同的電壓或電流為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。該電源管理子系統(tǒng)包含了三種DC-DC變換器：Digital DC-DC：用于向數(shù)字電路供電；ANA1 DC-DC：用于向模擬電路供電；PA DC-DC：用于向射頻功能供電。本設(shè)計(jì)中采用3.3V供電，輸入給三個(gè)DC-DC，經(jīng)電壓變化分別給CC3200內(nèi)部的數(shù)字、模擬、和射頻功能單元進(jìn)行供電。

圖3 電源設(shè)計(jì)示意圖

無線射頻質(zhì)量受電源紋波影響很大，圖3的電源設(shè)計(jì)中，C4和C5這兩個(gè)去耦電容在布局時(shí)應(yīng)盡量靠近電源輸入管腳，同時(shí)其接地腳需要通過過孔連接到PCB板的主地層。對(duì)于去耦電容C1、C2、C3三個(gè)電容的接地是通過過孔，在第二層主地層走回CC3200 芯片下面，再通過過孔連回芯片中間的地焊盤。在表層DC 電流輸入走線和第二層接地走線上下重合，使得開關(guān)電流環(huán)路面積最小。

3.5 時(shí)鐘設(shè)計(jì)

CC3200需2個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘：

a)慢時(shí)鐘使用32.768kHz晶體，用于RTC功能，負(fù)載電容選擇10pF；

b)快時(shí)鐘使用40MHz晶振，用于內(nèi)部處理器和WLAN子系統(tǒng)，負(fù)載電容6.2pF。

3.6 射頻設(shè)計(jì)

射頻部分采用2.4GHz濾波器，型號(hào)為TDK DEA202450BT-1294C1，CC3200的射頻輸出管腳與濾波器的輸入端需使用50Ohm布線，如圖4所示。

圖4 射頻部分參考設(shè)計(jì)

4 軟件設(shè)計(jì)

本文著重對(duì)SPI轉(zhuǎn)WIFI功能軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照軟件功能可分為兩個(gè)部分：模塊資源初始化、基于SPI的WIFI驅(qū)動(dòng)軟件。

4.1 模塊資源初始化

按照微型化計(jì)算機(jī)模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其數(shù)據(jù)處理模塊與WIFI模塊均為獨(dú)立的功能單元，各功能單元的微處理器運(yùn)行初始化流程。數(shù)據(jù)處理模塊初始化包括處理器初始化、以太網(wǎng)接口初始化、RS232初始化、ADC初始化、SPI主初始化。WIFI模塊初始化包括處理器初始化、GPIO初始化、RS232初始化、SPI從初始化、WIFI網(wǎng)絡(luò)處理器初始化。

4.2 WIFI驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊與WIFI模塊之間通過SPI接口交聯(lián)，驅(qū)動(dòng)軟件主要包括以下兩種功能：系統(tǒng)控制接口、消息控制接口。

4.2.1 系統(tǒng)控制接口

系統(tǒng)控制接口用于設(shè)置WIFI模塊的設(shè)備管理，模式初始化等，具體包含以下功能。

設(shè)備打開：驅(qū)動(dòng)程序通過SPI與WIFI模塊握手，若握手成功則說明WIFI模塊工作正常，可響應(yīng)控制命令和消息控制。

設(shè)備關(guān)閉：驅(qū)動(dòng)程序通過SPI告知WIFI模塊不再響應(yīng)主機(jī)端任何命令。

設(shè)置工作模式：驅(qū)動(dòng)程序通過SPI設(shè)置WIFI模塊的工作模式，可設(shè)置為AP模式或STA模式。

4.2.2 消息控制接口

數(shù)據(jù)處理模塊軟件通過消息控制接口獲取WIFI模塊上針對(duì)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)將本系統(tǒng)待發(fā)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)到其他子系統(tǒng)。接口包括：讀新數(shù)據(jù)、寫新數(shù)據(jù)。

5 測(cè)試結(jié)果

微型化計(jì)算機(jī)WIFI模塊與數(shù)據(jù)處理模塊使用SIP（System In a Package）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，SIP系統(tǒng)級(jí)芯片采用三層封裝形式，WIFI模塊核心處理由其第一層實(shí)現(xiàn)，SIP芯片體積為15mm×15mm×7.8mm，WIFI模塊功耗為0.45W。

使用兩塊微型化計(jì)算機(jī)模塊進(jìn)行SPI轉(zhuǎn)無線網(wǎng)絡(luò)通信傳輸速率測(cè)試，在開放環(huán)境下傳輸100MB數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如下：傳輸距離3.2米，帶寬為10.48Mbps；傳輸距離6.4米，帶寬為10.38Mbps。

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了微型化計(jì)算機(jī)的WIFI模塊，完成了無線網(wǎng)絡(luò)軟件及相關(guān)驅(qū)動(dòng)軟件，開展了兩塊微型化計(jì)算機(jī)模塊之間的無線通信測(cè)試，傳輸速率約為10Mbps。微型化計(jì)算機(jī)WIFI模塊的實(shí)現(xiàn)，為具有高性能的微型化計(jì)算機(jī)提供了無線網(wǎng)絡(luò)通信方式，使微型化計(jì)算機(jī)在物聯(lián)網(wǎng)及復(fù)雜的工業(yè)控制領(lǐng)域具有更廣闊的使用。