微型化計算機WIFI模塊的設計與實現(xiàn)

史巖 中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術研究所 陜西西安 710065

1 引言

“物聯(lián)網(wǎng)”、“云計算”是近年來IT領域比較活躍的概念，然而在實際應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)量大而且復雜，在實時性要求較高的情況下，海量數(shù)據(jù)的過濾、處理、傳輸和應用是一個巨大的挑戰(zhàn)。在此背景下，高性能微型化計算機是未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要方向，目前微型化計算機仍以傳統(tǒng)的以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡通信方式，以太網(wǎng)存在部署成本高，靈活性差等缺點。本文提出了一種基于SPI接口的微型化計算機WIFI模塊設計方案，完成了系統(tǒng)硬件和軟件設計，使用無線網(wǎng)絡通信的方式解決了上述問題。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

微型化計算機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)絡單元和數(shù)據(jù)處理單元。微型化計算機模塊通過無線網(wǎng)絡單元與遠端微型化計算機連接，通過以太網(wǎng)接口與骨干網(wǎng)絡連接。無線網(wǎng)絡拓撲如圖1所示，其中AP為無線接入點，負責無線網(wǎng)絡的創(chuàng)建，訪問控制等；STA為無線站點，連接入AP進行數(shù)據(jù)通信。

圖1 微型化計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲

無線網(wǎng)絡單元采用智能化設計，由WIFI模塊硬件與軟件組成，通過SPI接口與數(shù)據(jù)處理單元進行控制命令、無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的交換。

3 WIFI模塊硬件設計

3.1 硬件設計框圖

微型化計算機模塊硬件主要由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。微型化計算機WIFI模塊采用一體化設計，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 微型化計算機WIFI模塊組成結(jié)構(gòu)

3.2 CC3200無線微控制器

無線網(wǎng)絡芯片選用TI公司的單芯片無線微控制器，型號為CC3200。CC3200主要由片內(nèi)處理器，網(wǎng)絡處理器，外部接口，電源管理，系統(tǒng)控制，片內(nèi)存儲器等部分組成。MCU中集成了兩個處理器，ARM Cortex-M4處理器，工作頻率為80MHz，主要負責兩部分工作，一部分工作為無線網(wǎng)絡管理、通信調(diào)度，另一部分工作為與處理器模塊之間通過SPI進行控制命令的響應及數(shù)據(jù)的收發(fā)；WIFI網(wǎng)絡處理子系統(tǒng)由專用的MCU進行管理，集成了無線網(wǎng)絡協(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接口設計

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

SPI接口設計原理如下：

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

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

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

d)從設備選擇GSPI_CS：主設備輸出，從設備輸入，低電平有效。

在本設計中，SPI主為FH8812，SPI從為CC3200。

3.4 電源設計

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系統(tǒng)進行供電。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。本設計中采用3.3V供電，輸入給三個DC-DC，經(jīng)電壓變化分別給CC3200內(nèi)部的數(shù)字、模擬、和射頻功能單元進行供電。

圖3 電源設計示意圖

無線射頻質(zhì)量受電源紋波影響很大，圖3的電源設計中，C4和C5這兩個去耦電容在布局時應盡量靠近電源輸入管腳，同時其接地腳需要通過過孔連接到PCB板的主地層。對于去耦電容C1、C2、C3三個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，使得開關電流環(huán)路面積最小。

3.5 時鐘設計

CC3200需2個獨立的時鐘：

a)慢時鐘使用32.768kHz晶體，用于RTC功能，負載電容選擇10pF；

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

3.6 射頻設計

射頻部分采用2.4GHz濾波器，型號為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 射頻部分參考設計

4 軟件設計

本文著重對SPI轉(zhuǎn)WIFI功能軟件進行設計，按照軟件功能可分為兩個部分：模塊資源初始化、基于SPI的WIFI驅(qū)動軟件。

4.1 模塊資源初始化

按照微型化計算機模塊的系統(tǒng)設計，其數(shù)據(jù)處理模塊與WIFI模塊均為獨立的功能單元，各功能單元的微處理器運行初始化流程。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)絡處理器初始化。

4.2 WIFI驅(qū)動軟件設計

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)控制接口用于設置WIFI模塊的設備管理，模式初始化等，具體包含以下功能。

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

設備關閉：驅(qū)動程序通過SPI告知WIFI模塊不再響應主機端任何命令。

設置工作模式：驅(qū)動程序通過SPI設置WIFI模塊的工作模式，可設置為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模塊上針對本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時將本系統(tǒng)待發(fā)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(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 測試結(jié)果

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

使用兩塊微型化計算機模塊進行SPI轉(zhuǎn)無線網(wǎng)絡通信傳輸速率測試，在開放環(huán)境下傳輸100MB數(shù)據(jù)，測試結(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

設計并實現(xiàn)了微型化計算機的WIFI模塊，完成了無線網(wǎng)絡軟件及相關驅(qū)動軟件，開展了兩塊微型化計算機模塊之間的無線通信測試，傳輸速率約為10Mbps。微型化計算機WIFI模塊的實現(xiàn)，為具有高性能的微型化計算機提供了無線網(wǎng)絡通信方式，使微型化計算機在物聯(lián)網(wǎng)及復雜的工業(yè)控制領域具有更廣闊的使用。