创建一个无线到以太网的桥梁

　　多功能、便携式以及通用手持设备成为许多工厂的需求。这种便携式手持设备能在工厂的各个地点有效的传送传感器数据，处理设定值、运行速度、运行进度和其它重要运行信息。而且这些便携式手持设备需要显示所连接设备的实时数据。
　　在有效控制成本同时把需要的功能嵌入这类设备对设计者是一种挑战，设备要求具有无线连接功能，数据处理功能同时还要满足方便携带的要求，这些设计都将增加成本支出。

设备需要足够强大的微控制器和足够大的存储器以支持无线网络和以太网两种协议，
以及2个串行通讯接口与无线网络和以太网收发器通讯。

　　系统设计
　　本文从理论的角度向读者阐述16位微控制器(MCUs)如何支持工厂手持设备的无线局域网功能。通过介绍这个便携式智能设备的设计步骤向读者展示如何兼容以太网和无线网络协议，以及嵌入技术决策对综合性能的影响。
　　与传统大型工业移动设备相比，这种手持设备具有低功耗、高耐用性、设计更加紧凑、便于携带的特点。设备的系统图表明了微控制器的选择决定了设备的形态和连接能力。
　　比如，手持设备必须能运行以太网和无线网络两种协议才能在工厂的任何地方连接，所以设计系统时需要选择的微控制器具有足够强大

数据处理性能和存储功能以支持两种协议。
　　其次，你需要确定选择的微控制器配置有合适的外设接口。设备设计需要2个串行外设接口(SPI)便于与无线网络和以太网收发器进行通讯。还需要一个并行接口去驱动液晶显示器和(或)键盘。仪表设计必需非常紧凑，同时还需融合串、并行接口，以满足信号路由的灵活性，这是设计中的重点。

在这项设计里，轻巧的便携设备通过无线网络与存储数据的基站连接。

　　无线网络标准
　　为了能实现最简单的便携式设计，手持设备需要和基站连接，基站接受、处理所有手持设备传送的数据和命令。设备和基站通讯主要通过无线网络协议，如微芯科技的开放MiWi无线协议。此协议用来支持传感和控制应用，它是建立在IEEE 802.15.4低速率无线个人区域网（WPAN）标准之上的。
　　IEEE 802.15.4无线网络标准定义了3个频段，每个频段有固定的通道数量和最大的数据通讯速率：2.4GHZ(16通道，250kbps)，915MHZ(10通道，40kbps)，868MHZ(1通道，20kbps)。
　　IEEE 802.15.4标准还定义了若干设备，其中包括个人网(PAN)协调器。PAN协调器初始化网络，选择网络的通道和PAN ID号。所有想连入PAN的设备都必须向PAN协调器发出接入请求。在这个系统中，基站充当PAN协调器，处理与作为网络的末端节点手持设备之间的通讯。
　　简单的网络协议，如MiWi协议，允许设计者在IEEE 802.15.4协议2.4G频段基础上迅速建立无线网络解决方案。(媒介存取控制层和物理层建立在同样的IEEE 802.15.4协议之上) MiWi协议的网络层和应用层使设备能够寻找、组织、连接网络的功能，能发现网络上的节点并且向其发送和接受数据包。MiWi协议在一个网络中最大能支持1024个节点。
　　这种便携式设备不能和数据采集(DAQ)系统混为一谈，数据采集系统的功能是采集工厂中传感器的数据。数据采集系统可能是如可编程序控制器(PLC)这样的设备，它连接在局域网或其它工业通讯接口上。
　　如系统块图上所示，基站在手持设备和数据采集系统之间传输数据。手持设备是一个数据传输系统，数据根据应用需要，以特定意义的格式进行传输。
　　以基站为中心的系统设计能同时处理多个不同级别的用户使用需求。比如，设计者能将用户分门别类，允许一部分用户处理重要数据，而限制其它普通用户权限，使他们只能查看普通数据。

　　数据处理能力和连接性
　　我们的手持设备设计了3种通讯方式：通过MiWi协议与基站的无线连接；以太网连接；图形界面。作为这种设计的一部分，利用一台计算机工作站为基站提供数据服务(同时也处理连接在以太网上的手持设备数据)，基站可以通过MiWi协议及无线网络传输数据。在这种情况下基站充当了“MiWi路由器”的作用。
　　另一种方案是基站从工厂以太网设备或网络数据库中获取数据，再通过MiWi和以太网传输到手持设备。基站还能把软件更新传输到网络的每个手持设备。
　　基于这些设计的考虑，采用一个16位微控制器是合理的选择，它不仅能满足数据处理能力的要求而且提供足够的外设支持。为了满足便携性，选择28针脚封装。有了这种微控制器和必要的外设就可以连接约6个按钮或带按键的触摸屏。触摸屏的显示数据可以存储在微控制器的闪存中，也可以存储在扩展闪存芯片中，无论存在哪里，数据都可以通过并行总线进行引用。

　　了解16位微控制器
　　一些最新的16位微控制器非常适合这类设计。例如，Microchip的PIC24FJ64GA004系列微控制器具有这类设备需要的高灵活性、体积小和低功耗

的特点。此外，该微控制器还配有并行主接口(PMP)，这是一种通用并行数据接口带有可配置控制线，因此系统能够连接任何带并行数据接口的设备，能够驱动任何带并行数据接口的液晶显示器。微控制器的外设针脚映射选择功能(PPS)能通过软件把外设映射到输入输出针脚以减少输入输出通道。
　　大多数16位微控制器能满足节能型便携式手持设备的设计。比如16位微控制器通常能支持3种电源节能模式：在休眠模式下，关闭微控制器和时钟频率；在空闲模式下，关闭微控制器但外设仍在运行；在待机模式下，允许时钟频率和外设运行在不同的速率上。另外，还能控制片上调节器的开关，这样微控制器只需2节AA电池或一节锂电池就能工作。
　　工业现场配备这种便携式手持设备的成本要比升级各种工业PDA便宜许多。相比PDA，手持设备没有花哨的功能也用不着花大价钱构建网际协议，但它们依然功能强大，能够有效提高生产能力。而且它们完全为工业应用而设计，抛弃了消费电子产品的外壳，换而采用更适合工业现场的外壳保护。
　　注意：PIC和MiWi是Microchip Technology Inc的专利注册商标。文中其它专利也属其各自公司的财产。
　　翻译：高铭