基于嵌入式Wi－Fi处理器的无线系统设计
0 引 言
随着物联网技术的发展，众多的嵌入式系统均有增加wi-fi特性的需求，比如利用智能手机内建的wi-fi来遥控各种嵌入式设备，使支持机器对机器的通信（m2m）具有物联网通讯功能的嵌入式网络解决方案，而这些都将成为未来的主流需求。而在进行产品设计时，考虑到成本等因素，可以选用asix电子的单芯片tcp/ip处理器ax22001/11来进行wi-fi系统的设计。ax22001/11处理器可提供具有成本优势的嵌入式网络解决方案，以用于需要简单、易用、低成本接入有线/无线局域网或互联网的各类嵌入式应用领域。
1 单芯片tcp/ip微处理器ax22001/11
1.1 ax22001/11的基本性能
ax22001和ax22011的结构及特性基本相同，区别仅仅在于ax22001不具备外部存储器接口、二者的gpio 数量不同（ax22001 和ax22011 的gpio数量分别是32 和64）以及封装形式不同（ax22001和ax22011的封装形式分别是128引脚lqfp封装和180 引脚lfbga 封装），本文以ax22011为例来说明其基本特性。
ax22011属于内置802.11无线网mac/基带的单芯片tcp/ip微处理器，可提供高性能双cpu内核及用于代码存储的1mb共享闪存，同时内嵌用于主处理器（mcpu）的64kb数据存储器及用于wi-fi处理器（wcpu）的32kb数据存储器，而内置的tcp/ip 加速器兼容802.11a/b/g 的无线网mac/基带，快速以太网mac及丰富的通信外设，可用于各类需要接入有线/无线以太网、局域网/互联网的设备。
ax22011采用双cpu架构，并采用mcpu运行应用程序及tcp/ip协议，wcpu则用于处理wlan协议及以太网至wlan 封包格式的转换。内建的wlan mac及基带处理器兼容ieee 802.11a/b/g规范，可支持802.11安全特性及802.11eqos功能，同时支持基于ap的网络（infrastructure）或对等网络（ad-hoc/ibss）。
ax22011既可作为核心芯片搭建应用系统，也能通过芯片上运行的tcp/ip协议以及各种并行/串行接口（如local bus、高速uart及高速spi），作为网络协处理器来搭配其他嵌入式cpu，以减轻其处理tcp/ip及wlan协议的负荷。
1.2 ax22001/11的独立特性
（1）双cpu架构。
ax22001/11的双cpu架构可分别用于应用程序及wlan协议处理。
cpu采用8位流水线和精简指令集risc，单指令周期，最高80mhz主频，指令集100%兼容标准8051/80390;芯片内置电源管理单元和可编程看门狗定时器以及3个16位定时/计数器，毫秒定时器及实时时钟（rtc）控制器，可支持通过在线仿真接口（ice）进行cpu调试。
（2）主处理器。
主处理器（mcpu）用于应用程序及tcp/ip处理。ax22001/11提供有dma 引擎（7dma 通道）及专门的内存架构，以用于网络及外设的快速数据传输同时支持tcp/ip硬件加速，以用于提升网络传输带宽，并可通过硬件实现ip/tcp/udp/icmp/igmp校验和计算以及arp协议处理。
通过软件提供的tcp，udp，icmp，igmp，ipv4，dhcp，bootp，arp，dns，smtp，sntp，upnp，pppoe和http等协议可支持通过wi-fi或以太网、bootp和tftp协议等进行网络启动；同时支持2个外部中断源，并支持2个优先级。
（3）程序和数据存储器。
ax22001/11内置16kb sram 用于程序镜像，另有1mb的闪存用于mcpu和wcpu共享程序代码空间；芯片支持在系统编程（isp），可透过uart或在线调试器（ice）来进行闪存的烧写；同时支持通过wi-fi、以太网或串口烧写应用程序及更新启动代码，即应用中可编程（iap）。
启动时，可选择复制mcpu 应用程序代码到外部sram 中运行，以提升系统性能。
此外，ax22001/11还内置用于mcpu的64kb数据存储器可通过外部内存接口扩展到最大2mb，同时内置用于wcpu的32kb数据存储器。
（4）wi-fi处理器和基带控制器。
ax22001/11 中的wi-fi 处理器和其兼容802.11a/b/g的无线网mac/基带控制器可支持infrastructure基础架构模式或ad-hoc对等网络模式（ibss）；同时支持dsss及cck:1、2、5.5和11mb/s;也支持ofdm:6、9、12、18、24、36、48和54mb/s;支持802.11i安全特性如下：64/128 wep，tkip，aes;此外，还支持802.11eqos及1tx队列，但可选ac为用户的应用数据；芯片集成有rxiq adc，txiq dac 及tssiadc，可用于连接rf收发器；同时支持mcpu数据存储器与wcpu 数据存储器之间以及wcpu 数据存储器与wlan mac之间通过dma进行以太网与wi-fi封包格式的转换；也支持系列wi-fi管理帧及硬件加速，如：mic、sha-1/md-5变换、aes key展开、伪随机数产生（prng）及32位算法的硬件实现等；此外，还支持3种wi-fi节电模式，并可通过接收beacon帧自动唤醒；此外，ax22001/11还提供有1个用于wcpu调试的串口，1个外部中断引脚和一个i2c总线接口。
（5）10/100m 快速以太网mac.
ax22001/11兼容ieee 802.3 10base-t/100base-tx快速以太网规范，内置用于封包缓存的专用12kbsram;可支持全双工流控及半双工背压流控（backpressure）；并提供有mii，rmii，rev-mii和rev-rmii接口；另外，它也支持以太网远程唤醒。
（6）外设通信接口。
ax22001/11芯片有4个串口，其中2个支持dma.调制解调器控制引脚可支援远程唤醒及最高921.6kb/s波特率；该芯片支持dma的快速spi接口（包括3个主模式接口或1个从模式接口）和一个支持dma 的i2s或pcm 接口，也支持dma 的局域总线接口（主/从模式）和一个i2c接口（主/从模式）；芯片具有5通道可编程计数器组和一个1-wire总线接口，可提供4组gpio，每组8位；同时集成有32.768khz振荡电路（具有独立的电源供应引脚），可用于实时时钟和wi-fi节电模式的自动唤醒定时器；此外，芯片内部集成有80mhz锁相环，可外接40mhz晶振；同时集成了上电复位电路；ax22001/11芯片采用128引脚lqfp封装，且符合rohs规范；工作温度范围为：0℃~+70℃。
1.3 ax22001/11的组成结构
图1所示为ax22001/11的内部结构组成框图。
该芯片由主处理器（mcpu）、wi-fi协处理器（wcpu）、64kb数据ram、16 kb 程序ram、1mb共用内存、时钟及定时器、tcp/ip加速引擎、dma 引擎、以太网mac、802.11a/b/g 的无线网mac/基带及adc/dac、spi串行总线、串口、i2c总线和局域总线等组成。
图1 ax22001/11的结构框图
2 基于ax22001/11的应用系统设计
图2所示为采用ax22001/11及多种传感器设计的无线环境监测/网络传感器及遥控系统的结构框图，图中，ax22001/11通过i2c总线与温度传感器相连，湿度传感器、雨量测量传感器、大气压力传感器、风向传感器、太阳辐射传感器及热电偶传感器则通过单总线与ax22001/11相连，ax22001/11再通过通用输入输出gpio与led及继电器相连，从而在led上显示传感器测得的数据，同时也可以通过wi-fi网络控制继电器对电路参数进行调整。
图2 基于wi-fi的无线环境监测/网络传感器及遥控系统
图3是采用ax22001/11设计的串行接口与wi-fi转换电路的系统框图，该电路可支持多种串行通信模式，包括点对点的rs 232及点对多点的rs485和rs 422总线。
图3 串行接口与wi-fi转换电路
图4是采用ax22001/11设计的zigbee/蓝牙与wi-fi转换电路。zigbee/蓝牙系统可通过高速同步串行口spi或通用异步串行口uart 与ax22001/11相连。
图4 zigbee/蓝牙与wi-fi转换电路
图5是通过wi-fi传输音频信号的电路框图，音频信号与ax22001/11相连可采用高速同步串行口spi或i2c方式。
图5 基于wi-fi的音频信号传输框图
3 结 语
随着wi-fi基础设施日益普及，支持多种扩展接口的ax22001/11wi-fi单芯片即可提供具有成本优势的嵌入式网络解决方案，以用于需要简单、易用、低成本接入有线/无线局域网或互联网的各类嵌入式应用，如消费电子、网络智能型家电、wi-fi无线音箱、工业设备、保安系统、远程数据采集、远程控制、远程监测及远程管理等。
PCB设计：传输线对整个电路设计的效应
如何推动智慧教育的发展
创新！昊衡科技首次推出分体式OFDR设备
PN结的形成及工作原理
WK3260B精密磁性元件分析仪的技术参数及应用范围
基于嵌入式Wi－Fi处理器的无线系统设计
半导体设计之上海贝岭为何增长艰难？
这位“华为天才少年”用充电宝打游戏
随着数字经济的蓬勃发展，智慧路灯前景一片光明
电力电子电路的数字化控制技术
在ISE启动modelsim时遇到问题与解决
滚珠螺母的生产流程
小米5C领衔，红米Note4x、魅蓝5S、华为荣耀8青春版进入千元机时代，你愿意为它买单吗？
一文详解MOSFET的非理想特性
苹果起诉中国工程师窃取无人驾驶机密，后者加入小鹏汽车
全球第一款AR手机平板：联想PHAB2 Pro发布
人工智能和机器学习已经为黄金时间做好了准备
2016中国移动全球合作伙伴大会召开：尚冰称移动4G用户达5亿
如何调试才能避免烧毁PLC呢
常用测温仪表的测量范围及特点需要了解
随着物联网技术的发展，众多的嵌入式系统均有增加wi-fi特性的需求，比如利用智能手机内建的wi-fi来遥控各种嵌入式设备，使支持机器对机器的通信（m2m）具有物联网通讯功能的嵌入式网络解决方案，而这些都将成为未来的主流需求。而在进行产品设计时，考虑到成本等因素，可以选用asix电子的单芯片tcp/ip处理器ax22001/11来进行wi-fi系统的设计。ax22001/11处理器可提供具有成本优势的嵌入式网络解决方案，以用于需要简单、易用、低成本接入有线/无线局域网或互联网的各类嵌入式应用领域。
1 单芯片tcp/ip微处理器ax22001/11
1.1 ax22001/11的基本性能
ax22001和ax22011的结构及特性基本相同，区别仅仅在于ax22001不具备外部存储器接口、二者的gpio 数量不同（ax22001 和ax22011 的gpio数量分别是32 和64）以及封装形式不同（ax22001和ax22011的封装形式分别是128引脚lqfp封装和180 引脚lfbga 封装），本文以ax22011为例来说明其基本特性。
ax22011属于内置802.11无线网mac/基带的单芯片tcp/ip微处理器，可提供高性能双cpu内核及用于代码存储的1mb共享闪存，同时内嵌用于主处理器（mcpu）的64kb数据存储器及用于wi-fi处理器（wcpu）的32kb数据存储器，而内置的tcp/ip 加速器兼容802.11a/b/g 的无线网mac/基带，快速以太网mac及丰富的通信外设，可用于各类需要接入有线/无线以太网、局域网/互联网的设备。
ax22011采用双cpu架构，并采用mcpu运行应用程序及tcp/ip协议，wcpu则用于处理wlan协议及以太网至wlan 封包格式的转换。内建的wlan mac及基带处理器兼容ieee 802.11a/b/g规范，可支持802.11安全特性及802.11eqos功能，同时支持基于ap的网络（infrastructure）或对等网络（ad-hoc/ibss）。
ax22011既可作为核心芯片搭建应用系统，也能通过芯片上运行的tcp/ip协议以及各种并行/串行接口（如local bus、高速uart及高速spi），作为网络协处理器来搭配其他嵌入式cpu，以减轻其处理tcp/ip及wlan协议的负荷。
1.2 ax22001/11的独立特性
（1）双cpu架构。
ax22001/11的双cpu架构可分别用于应用程序及wlan协议处理。
cpu采用8位流水线和精简指令集risc，单指令周期，最高80mhz主频，指令集100%兼容标准8051/80390;芯片内置电源管理单元和可编程看门狗定时器以及3个16位定时/计数器，毫秒定时器及实时时钟（rtc）控制器，可支持通过在线仿真接口（ice）进行cpu调试。
（2）主处理器。
主处理器（mcpu）用于应用程序及tcp/ip处理。ax22001/11提供有dma 引擎（7dma 通道）及专门的内存架构，以用于网络及外设的快速数据传输同时支持tcp/ip硬件加速，以用于提升网络传输带宽，并可通过硬件实现ip/tcp/udp/icmp/igmp校验和计算以及arp协议处理。
通过软件提供的tcp，udp，icmp，igmp，ipv4，dhcp，bootp，arp，dns，smtp，sntp，upnp，pppoe和http等协议可支持通过wi-fi或以太网、bootp和tftp协议等进行网络启动；同时支持2个外部中断源，并支持2个优先级。
（3）程序和数据存储器。
ax22001/11内置16kb sram 用于程序镜像，另有1mb的闪存用于mcpu和wcpu共享程序代码空间；芯片支持在系统编程（isp），可透过uart或在线调试器（ice）来进行闪存的烧写；同时支持通过wi-fi、以太网或串口烧写应用程序及更新启动代码，即应用中可编程（iap）。
启动时，可选择复制mcpu 应用程序代码到外部sram 中运行，以提升系统性能。
此外，ax22001/11还内置用于mcpu的64kb数据存储器可通过外部内存接口扩展到最大2mb，同时内置用于wcpu的32kb数据存储器。
（4）wi-fi处理器和基带控制器。
ax22001/11 中的wi-fi 处理器和其兼容802.11a/b/g的无线网mac/基带控制器可支持infrastructure基础架构模式或ad-hoc对等网络模式（ibss）；同时支持dsss及cck:1、2、5.5和11mb/s;也支持ofdm:6、9、12、18、24、36、48和54mb/s;支持802.11i安全特性如下：64/128 wep，tkip，aes;此外，还支持802.11eqos及1tx队列，但可选ac为用户的应用数据；芯片集成有rxiq adc，txiq dac 及tssiadc，可用于连接rf收发器；同时支持mcpu数据存储器与wcpu 数据存储器之间以及wcpu 数据存储器与wlan mac之间通过dma进行以太网与wi-fi封包格式的转换；也支持系列wi-fi管理帧及硬件加速，如：mic、sha-1/md-5变换、aes key展开、伪随机数产生（prng）及32位算法的硬件实现等；此外，还支持3种wi-fi节电模式，并可通过接收beacon帧自动唤醒；此外，ax22001/11还提供有1个用于wcpu调试的串口，1个外部中断引脚和一个i2c总线接口。
（5）10/100m 快速以太网mac.
ax22001/11兼容ieee 802.3 10base-t/100base-tx快速以太网规范，内置用于封包缓存的专用12kbsram;可支持全双工流控及半双工背压流控（backpressure）；并提供有mii，rmii，rev-mii和rev-rmii接口；另外，它也支持以太网远程唤醒。
（6）外设通信接口。
ax22001/11芯片有4个串口，其中2个支持dma.调制解调器控制引脚可支援远程唤醒及最高921.6kb/s波特率；该芯片支持dma的快速spi接口（包括3个主模式接口或1个从模式接口）和一个支持dma 的i2s或pcm 接口，也支持dma 的局域总线接口（主/从模式）和一个i2c接口（主/从模式）；芯片具有5通道可编程计数器组和一个1-wire总线接口，可提供4组gpio，每组8位；同时集成有32.768khz振荡电路（具有独立的电源供应引脚），可用于实时时钟和wi-fi节电模式的自动唤醒定时器；此外，芯片内部集成有80mhz锁相环，可外接40mhz晶振；同时集成了上电复位电路；ax22001/11芯片采用128引脚lqfp封装，且符合rohs规范；工作温度范围为：0℃~+70℃。
1.3 ax22001/11的组成结构
图1所示为ax22001/11的内部结构组成框图。
该芯片由主处理器（mcpu）、wi-fi协处理器（wcpu）、64kb数据ram、16 kb 程序ram、1mb共用内存、时钟及定时器、tcp/ip加速引擎、dma 引擎、以太网mac、802.11a/b/g 的无线网mac/基带及adc/dac、spi串行总线、串口、i2c总线和局域总线等组成。
图1 ax22001/11的结构框图
2 基于ax22001/11的应用系统设计
图2所示为采用ax22001/11及多种传感器设计的无线环境监测/网络传感器及遥控系统的结构框图，图中，ax22001/11通过i2c总线与温度传感器相连，湿度传感器、雨量测量传感器、大气压力传感器、风向传感器、太阳辐射传感器及热电偶传感器则通过单总线与ax22001/11相连，ax22001/11再通过通用输入输出gpio与led及继电器相连，从而在led上显示传感器测得的数据，同时也可以通过wi-fi网络控制继电器对电路参数进行调整。
图2 基于wi-fi的无线环境监测/网络传感器及遥控系统
图3是采用ax22001/11设计的串行接口与wi-fi转换电路的系统框图，该电路可支持多种串行通信模式，包括点对点的rs 232及点对多点的rs485和rs 422总线。
图3 串行接口与wi-fi转换电路
图4是采用ax22001/11设计的zigbee/蓝牙与wi-fi转换电路。zigbee/蓝牙系统可通过高速同步串行口spi或通用异步串行口uart 与ax22001/11相连。
图4 zigbee/蓝牙与wi-fi转换电路
图5是通过wi-fi传输音频信号的电路框图，音频信号与ax22001/11相连可采用高速同步串行口spi或i2c方式。
图5 基于wi-fi的音频信号传输框图
3 结 语
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