一、无线时代为8位单片机带来新的机遇

我们今天的时代,已经进入了一个无线无处不在的时代,出门,我们使用手机打电话,发短信,在家,我们使用无绳电话;开车,我们使用GPS导航找路;上班,我们使用无线网卡上网,办公......

但是,现在我们很难将这些“高档”的无线应用和低价格,低功率消耗,小体积的8位单片机联系起来,虽然8位单片机已经在各行各业广泛的使用大显声威,是目前工业用嵌入式单片机的主流,在工业控制,家电工业,住宅自动化等许多方面有广泛应用。

目前我们接触到的这些无线应用例如手机,BB机,802.11标准的网卡/路由器等都具有一个共同的特点是：

1)功率消耗较大,需要较大电池支持;2)价格较高,动辄几十到几百美元;3)需要一定体积,不能做到像一个纽扣那么小。

然而,正是这些特点,限制了无线产品向更广阔的应用空间发展,而能够突破这个无线应用得瓶颈的关键,确正是这个小小的其貌不扬8位单片机;大家知道,所谓8位单片机,就是在单一芯片上,包括了8位微处理器,外围接口,静态存储器,闪存,数字-模拟转换等为一体高度集成的电路,例如大家熟悉的8051/8052系列单片机。

只要将这些8位单片机和无线收发芯片组合在一起,(组合的最佳方案是将单片机系统和无线收发系统集成在在同一个芯片之中)然后,编制各种应用程序,协议软件,加上适当的传感器,执行部件,天线,就可以成为一个独立的单片机无线应用系统或称为无线节点。

这些采用8位单片机的无线系统,具有以下等特点：

体积小---- 集成电路工业的快速发展,已经可以将越来越多的外围电路集成到单一芯片上,由于8位微处理器所占芯片积较小,所以可以使芯片面积越来越小,相应无线节点面积也会更小;

低功耗-----8位微处理器较小的芯片面积,本身具有较小的功率消耗,加上8位单片机的无线系统先进的自动电源管理,使这些无线节点使用微型电池,可以具有1-5 年的连续工作能力;

低价格------有专家估计,8位单片机的无线节点,在大量生产的前提下,成本可以在每个5美元以下;

高可靠性-----8位单片机的无线节点采用许多先进无线网络算法和通讯协议,大大提高了通讯可靠性,特别适合于在许多新兴起高可靠无线应用中使用;

正时这些优点,加上人们对生活质量的不断提高等要求,大量的新的应用对无线产品的市场需求,推动8位单片机快速进入无线时代。

二、8位单片机系统将在无线时代获得广泛应用

这样的8位单片机为核心无线系统已经和正在产生无数的新应用,试举以下几个实际应用举例如下：

2.1家庭安全系统

有一个舒适/美好/安全的住宅环境,是每个人的愿望。一套家庭安全系统,可由若干个8位单片机无线节点系统组成一个无线网络,所有节点均采用电池供电,安装在屋顶的自动烟雾传感器节点,安装在厨房的煤气泄漏监视传感器节点,安装载门窗上的防盗监视传感器节点……每个节点都是一各无线单片机系统,并通过无线网络保持双向联系。所有节点无线汇集到家庭中心无线服务器,中心服务器连接电话线和Interent。

如果无线节点发现火灾/气体泄漏/盗贼入侵等情况会立即报警,如果主人不在家,系统会直接通过电话和INTERNET自动报警,更为神奇的是,如果盗贼切断电源,切断电话/网络电缆,该系统的各个节点会聪明的自动将报警信号用无线传输到邻里的家中(如果邻居家中安装类似的无线节点),通过邻居家中等电话和网络发出警告……

这样的8位单片机无线节点系统优点是：

完全无线化,每各节点间无需有如任何连线,安装非常方便;节点微型化,每各节点非常小,小到只有纽扣大小,盗贼不容易发现。

微功率消耗,节点所有微型电池可以工作1年以上无需更换电池,单片机对电池使用进行有效的节电管理;通讯双向/实时化,节点和服务器间/节点间保持多路由双向通讯,大大提高通讯可靠性,并能确保报警信号送达。

由于无线节点很容易实现单芯片化,包括传感器,单片机等,使成本会快速降低,两三年内,每个节点成本会低于在4-5 美元。

2.2街头停车收费系统

目前大城市汽车越来越多,市区内停车场不够,所以,在马路边停车成了救急的选择;于是,马路边林立的收费表成为都市一道风景线,如果你漫步在美国纽约等繁华中心区,你会看到成千上万的各种汽车,停泊在马路两边,几辆车中间,有一个自动停车收费系统,你需要投入硬币或刷卡,收费系统会打印出一张发票,你将发票放到车窗前,作为你存车依据;这样的自动收费系统有一个弊病是查验困难,如果你不交费或少交费很难查处,因为查验人员很难对成千上万车辆上的发票进行检查。

但如果采用8位单片机的无线节点改造这些街头停车收费系统,只需要很低等成本,每各街头停车收费表,变成了一个无线智能节点,这些节点记录停车收费的情况,并通过每个停车表的无线网络路由,建立起和其他附近收费表的无线双向网络通讯。

这种新的8 位单片机街头无线收费表,和其他传感器配合,可以提供更聪明亲切的服务,如果驾驶人希望找到附近的停车位,只有看一下任何一个停车表的屏幕,或按几下键,停车表通过无线网络搜索,便会很快告诉驾驶人,那里有最近空置的停车位置;对于管理当局,查验停车收费的工作变成非常简单和高效率,只需要驾驶查验警车,以一定速度通过路边的车辆,单片机无线节点会自动通过无线,将当前收费情况告诉查验警车,同时,还会通过加密通讯,告知硬币储存量,以便及时取出;如果警车发现某停泊的汽车没有交费或少交费,马上就可以开出罚单。

同时,由于这些林立街头的收费表,在大都市中心建立了一个分布广泛的无线网络,这些聪明的收费表,还可以增加一个醒目的红色按钮,如果有人突然发病或遇到打劫等紧急情况,可以按这个红色按钮,收费表会通过无线网络,自动报警中心和救急中心发出信号。

2.3无线抄表系统

上述的8位单片机无线节点停车收费表,只是单片机无线自动读表系统应用得一个实例,在我们日常生活中,家里的各种电表/水表/煤气表/热量表都需要按时查表收费,如果每个表都采用单片机无线系统,自动完成水/电/煤气/热量计量,自动储存在系统储存器中,那么,在需要查表时,查表员不用进入家门,无线电波穿墙而过,查表人员就可以在瞬间轻松完成读表;更为令人吃惊的时,由于每个家庭中等无线智能表已经和邻居家的无线智能表自动连接成为无线网络,就像接力赛跑一样,一个无线节点双向通过另一个无线节点组成网状数据链,将整个大楼的无线智能表都连接在同一个无线网络上;所以查表人员可以不用上楼下楼,仅仅通过大楼入口处的任何一个无线节点,便可以通过无线网络迅速完成整个大楼大面积查表工作。

由许多8位单片机无线节点构成的双向无线网络系统,不仅可以方便查表,而且进一步改造,还可以由能源部门在任何时候对每个单独的节点各种电表/水表/煤气表/热量表等进行实时监测和控制,达到节约能源的目的。

除了上述所描述的系统,在日常生活,工业控制等方面还有更广阔的应用如：轮胎压力监视系统、货物跟踪管理系统、农作物环境监测系统等。

我们可以看到,8位单片机无线系统为无线产品的开发/应用提供了非常广阔的空间,将创造出巨大的市场空间。

三、无线时代的8051/8052单片机

在种种8位单片机中,以8051/8052系列8位单片机最为流行行为全世界工程师们所熟悉,随着技术进步行集成电路工业发展,今天的8051为内核的8位单片机芯片,与20年前的80518位单片机有了长足进步,许多外围电路,存储器,都被集成在同一芯片之中;同时功耗更低,速度更快,芯片更小,但是,在我们上述的无线应用中,即使用这样新的单片机,去和无线收发芯片组合,仍然很难满足设计的需要,正是因为：

A)在无线应用系统通讯电路工作在非常高等频率下,无线收发电路一般在300MHZ-1000MHz,高的频率甚至到2.4G-5.8GHz,这样的高频电路非常容易受到同一电路板上其他信号的干扰,而单片机的工作时钟和接口信号,非常容易对无线接收发射电路造成致命的干扰。

B)相当多的应用要求更小的体积,往往只能容许单一芯片。

基于上述两个原因,理想的无线单片机应该集成无线收发电路和8051内核,闪存,外围电路为一体,并在低功率消耗的前提下,能兼容目前流行的开发环境,所以高级语言,例如C语言直接编程,开发。面对巨大的市场前景,许多大型集成电路生产商度开足马力,开发这类单片机,目前,市场上已经有这样的8位无线单片机面世,相信今后几年,会有大量的这类无线单片机面世。

然而,正是这些特点,限制了无线产品向更广阔的应用空间发展,而能够突破这个无线应用得瓶颈的关键,确正是这个小小的其貌不扬8位单片机;大家知道,所谓8位单片机,就是在单一芯片上,包括了8位微处理器,外围接口,静态存储器,闪存,数字-模拟转换等为一体高度集成的电路,例如大家熟悉的8051/8052系列单片机。

下面,我们以一种已经大量在市场上销售得8051内核的无线单片机为列子,提供解剖“麻雀”,来认识无线时代的8051内核的单片机。

一个典型的具有无线收发功能的8051内核单片机由一个8051的内核为核心,由于采用这个有长远应用背景的内核,所以很多市面上流行的8051开发软件开发工具,都可以用于这个新的无线单片机的软件开发,例如世界著名,深受全世界工程师喜爱的KEILC51开发工具和UV2集成开发环境等;该无线单片机除了包含标准的8051外围电路如同步/异步串行接口,定时/计数器,输出/输入接口外,还包括32K 字节 闪存,2k 字节静态存储器,10 位模拟数字转换器等,构成一个完整的单片微型计算机。

同时,在同一晶片上集成了完整的无线收发电路,可以实现300MHz-1000MHz的无线通讯,同时该无线收发电路和8051单片机系统有机的整合在一起,开发者只需要象管理微处理器其他寄存器一样,就可以轻松管理这个高频工作的无线收发电路。由于经过特别的设计,所以,最大限度的减少了单片机数字电路对高频模拟线路的干扰,使无线单片机的使用变得更加方便和容易。考虑到无线通讯加密的需要,该无线单片机机还专门加装了密码加密/解密用得DES 模块。

该无线单片机的无线通讯主要技术指标如下：1)工作频率范：300MHZ到1000MHZ;2)接收灵敏度：典型-107dBm ;3)输出功率： 可以调整,最大 +10dBm ;4)无线数据传输最大速度：76.8 K bit/s ;5)电源：2,7V – 3.6V,可以使用两节AA 或 AAA 电池供电;6)功耗：非常低等电流消耗,7)无线信号强度监测功能 RSSI ;8)电磁兼容：EN300 220/FCC CFR 47part 15 ;9)芯片包装：64 脚小型TQFP包装。

四、8051内核的无线单片机的无线通讯软件开发和开发工具

由于无线通讯和有线通讯有两个主要得不同点：无线通讯使用共同的传播媒介;无线通讯出错的概率高于典型的有线通讯系统;这两个不同点决定了无线通讯必须要提供开发/设计大量无线通讯协议来解决在同一传播媒介中可靠收发数据,克服噪声干扰,降低出错概率,实现可靠通讯。

首先,需要确定和选择相应的通讯方式,可以采用时间分割(TDMA),频率分割(FDMA), 或 变频方式(FHSS) 等方式。然后开发下列各层软件：1)物理层软件：和无线收发电路接口,编码方式选择控制,接收处理数据包装等;2)数据连接层软件：主要包括在物理层之上等通讯协议软件,这些软件负责错误处理,数通讯数据效验,连接控制等;3)网络层软件：包括点到点,点到多点,服务器/客户,peer 到 peer, 多节点处理等。

大量的软件开发工作,需要高效率的软件开发工具,这些工具必须具有下列功能：a)软件能在C语言下直接快速下载到目标无线单片机程序闪存,进行查错(debug)处理,并在C51环境下,具有单步,断点,变量观察,寄存器(包括无线收发寄存器)观察/修改等全部高级无线调试功能;b)具有完善的无线单片机软件库,主要包括硬件接口库函数,基本的通讯协议库函数,这样,开发工程师可以不必编写物理层软件和数据连接层软件,这一部分正是开发无线通讯软件的难点;c)具有丰富的通讯样板软件,方便客户参考这些样板软件开发自己的物理协议和网络软件/应用软件;令人高兴的是,具有上述功能的8051内核无线单片机(上述典型无线单片机)开发系统C51RF系列已经上市。

该无线开发系统由一块很小的电路板组成,一端连接一条RS232通讯电缆,一端通过仿真电缆连接到目标无线单片机,板上有三个微型键和三个发光管操作和显示开发系统工作状态。该开发系只需要占用PC机一个串行接口,即可以在工程师非常熟悉的KEIL公司的UV2开发环境下,使用c51高级语言,进行编译,连接,下载到无线单片机进行单步/断点调试等全部高级调试功能。同时,该开发系统提供完整的软件库(包括c51源代码),方便工程师从较高起点,使用c51语言,进行无线通讯软件开发。另外,该开发系统目前已经提供RF232点对点无线通讯,温度测量无线传感器网络。谈天室无线网络服务器/客户网络的应用实际例子,包括全部c51源代码;方便参考开发各种应用软件。该开发系统较国外同类开发系统价格便宜50%,而且随着应用数量增加,相信不久会和目前普通单片机开发系统接近同样价格。

五、八位无线单片机开发的机遇和挑战

通过上面的描述,读者也许会问,既然有如此广阔的市场前景和如此价廉物美的无线单片机芯片,简单容易使用得无线单片机开发工具,为何无线单片机目前在国内的应用并不广泛,很多工程师,技术人员对相关技术对该技术,并不熟悉？以笔者多年来从事无线嵌入式产品的开发/设计经验看,笔者认为主要有以下几点原因：

A)很多工程师缺乏高频/无线设计的经验,一份报告指出,即使在美国,也只有20%的工程师有高频和无线产品开发经验,面对几百兆,甚至几千兆的高频电路,对硬件和软件设计都提出了更高等要求,设计经验变得非常重要;有报告指出,由于工程师经验不足造成平均美国有多达80% 无线项目开发失败。

B) 无线项目开发入门费用太高：如果开发普通单片机项目,在国内,有一台电脑,花几百人民币买一个简单开发工具,即可以进行,但开发无线项目,各种高频仪器设备,动辄上万,高频的零件也是相当昂贵;在美国,构建一个无线开发环境,仅仅各种无线测试仪包括频谱分析,网络分析,信号发生,高频示波器等,投资高达100万美元,很高的进入门坎使大多数中、小公司很难进入其中。

C)无线设计有关教育不够普及,由于缺乏必要的设备环境,使目前很少有大学开设无线单片机的课程,也很少有相关教程和书籍介绍相关无线系统协议,无线传感器的知识;同时,更少有工程师能够接触到无线产品的实际设计的软件开发;

面对上述的困难,是否有办法克服呢？笔者认为,以国内巨大的嵌入式单片机开发队伍,其中人材济济,由于c51的熟练应用,已经为无线单片机软件开发,打下了良好的基础,只有我们选准突破口,逐步通过实际设计积累经验,无线单片机系统的设计,是完全可以掌握的。笔者建议如下：

1)加强各种低价格,低成本的各类无线开发工具的开发,尽量争取用实用化低成本的无线开发环境,取代成本高昂的各种高频设备;2) 加快各种商业化的单片机无线通讯软件库开发工作,使无线软件设计更加容易;

3)加快普及相关无线通讯设计知识,编写相关实用教程和书籍,加快单片机无线通讯人材培训工作;4)争取让更多的工程师有条件实际接触无线通讯系统的设计工作,通过广泛的接触和实践,积累高频电路硬件设计和无线软件开发经验。

结束语：

去年,IEEE发布了相关的标准802.15.4,规范了在UHF和2.4G–5.8G微波频段嵌入式无线通讯的相关标准,802.15.4 标准为低成本,低功耗,较低等通讯速率的无线网络通讯的标准化,打开了大门。

随着这个标准的广泛应用,8位无线单片机,将会迎来一个更广泛的应用的春天;有一篇文章说,从无线电(应该说是指模拟无线电路应用)到单片机的应用,二十年,为国内培养大批电子工程师和各种技术人材,然而,从普通单片机到无线单片机(单片机无线数字通讯),将是一个新的长征,这个长征,将培养造就大批无线数字通讯的软件和硬件人材,同时,创造出无可估计的巨大市场空间和巨大经济效益