基于嵌入式Wi-Fi單芯片AX22001的無線系統設計

0 引 言

隨著物聯網技術的發展，眾多的嵌入式系統均有增加Wi-Fi特性的需求，比如利用智能手機內建的Wi-Fi來遙控各種嵌入式設備，使支持機器對機器的通信（M2M）具有物聯網通訊功能的嵌入式網絡解決方案，而這些都將成為未來的主流需求。而在進行產品設計時，考慮到成本等因素，可以選用ASIX電子的單芯片TCP/IP處理器AX22001/11來進行Wi-Fi系統的設計。AX22001/11處理器可提供具有成本優勢的嵌入式網絡解決方案，以用于需要簡單、易用、低成本接入有線/無線局域網或互聯網的各類嵌入式應用領域。

1 單芯片TCP/IP微處理器AX22001/11

1.1 AX22001/11的基本性能

AX22001和AX22011的結構及特性基本相同，區別僅僅在于AX22001不具備外部存儲器接口、二者的GPIO 數量不同（AX22001 和AX22011 的GPIO數量分別是32 和64）以及封裝形式不同（AX22001和AX22011的封裝形式分別是128引腳LQFP封裝和180 引腳LFBGA 封裝），本文以AX22011為例來說明其基本特性。

AX22011屬于內置802.11無線網MAC/基帶的單芯片TCP/IP微處理器，可提供高性能雙CPU內核及用于代碼存儲的1MB共享閃存，同時內嵌用于主處理器（MCPU）的64KB數據存儲器及用于Wi-Fi處理器（WCPU）的32KB數據存儲器，而內置的TCP/IP 加速器兼容802.11a/b/g 的無線網MAC/基帶，快速以太網MAC及豐富的通信外設，可用于各類需要接入有線/無線以太網、局域網/互聯網的設備。

AX22011采用雙CPU架構，并采用MCPU運行應用程序及TCP/IP協議，WCPU則用于處理WLAN協議及以太網至WLAN 封包格式的轉換。內建的WLAN MAC及基帶處理器兼容IEEE 802.11a/b/g規范，可支持802.11安全特性及802.11eQoS功能，同時支持基于AP的網絡（Infrastructure）或對等網絡（Ad-Hoc/IBSS）。

AX22011既可作為核心芯片搭建應用系統，也能通過芯片上運行的TCP/IP協議以及各種并行/串行接口（如Local Bus、高速UART及高速SPI），作為網絡協處理器來搭配其他嵌入式CPU,以減輕其處理TCP/IP及WLAN協議的負荷。

1.2 AX22001/11的獨立特性

（1）雙CPU架構。

AX22001/11的雙CPU架構可分別用于應用程序及WLAN協議處理。

CPU采用8位流水線和精簡指令集RISC,單指令周期，最高80MHz主頻，指令集100%兼容標準8051/80390;芯片內置電源管理單元和可編程看門狗定時器以及3個16位定時/計數器，毫秒定時器及實時時鐘（RTC）控制器，可支持通過在線仿真接口（ICE）進行CPU調試。

（2）主處理器。

主處理器（MCPU）用于應用程序及TCP/IP處理。AX22001/11提供有DMA 引擎（7DMA 通道）及專門的內存架構，以用于網絡及外設的快速數據傳輸同時支持TCP/IP硬件加速，以用于提升網絡傳輸帶寬，并可通過硬件實現IP/TCP/UDP/ICMP/IGMP校驗和計算以及ARP協議處理。

通過軟件提供的TCP,UDP,ICMP,IGMP,IPv4,DHCP,BOOTP,ARP,DNS,SMTP,SNTP,uPnP,PPPoE和HTTP等協議可支持通過Wi-Fi或以太網、BOOTP和TFTP協議等進行網絡啟動；同時支持2個外部中斷源，并支持2個優先級。

（3）程序和數據存儲器。

AX22001/11內置16KB SRAM 用于程序鏡像，另有1MB的閃存用于MCPU和WCPU共享程序代碼空間；芯片支持在系統編程（ISP），可透過UART或在線調試器（ICE）來進行閃存的燒寫；同時支持通過Wi-Fi、以太網或串口燒寫應用程序及更新啟動代碼，即應用中可編程（IAP）。

啟動時，可選擇復制MCPU 應用程序代碼到外部SRAM 中運行，以提升系統性能。

此外，AX22001/11還內置用于MCPU的64KB數據存儲器可通過外部內存接口擴展到最大2MB,同時內置用于WCPU的32KB數據存儲器。

（4）Wi-Fi處理器和基帶控制器。

AX22001/11 中的Wi-Fi 處理器和其兼容802.11a/b/g的無線網MAC/基帶控制器可支持Infrastructure基礎架構模式或Ad-Hoc對等網絡模式（IBSS）；同時支持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，還支持802.11eQoS及1TX隊列，但可選AC為用戶的應用數據；芯片集成有RXIQ ADC,TXIQ DAC 及TSSIADC,可用于連接RF收發器；同時支持MCPU數據存儲器與WCPU 數據存儲器之間以及WCPU 數據存儲器與WLAN MAC之間通過DMA進行以太網與Wi-Fi封包格式的轉換；也支持系列Wi-Fi管理幀及硬件加速，如：MIC、SHA-1/MD-5變換、AES key展開、偽隨機數產生（PRNG）及32位算法的硬件實現等；此外，還支持3種Wi-Fi節電模式，并可通過接收Beacon幀自動喚醒；此外，AX22001/11還提供有1個用于WCPU調試的串口，1個外部中斷引腳和一個I2C總線接口。

（5）10/100M 快速以太網MAC

AX22001/11兼容IEEE 802.3 10Base-T/100Base-TX快速以太網規范，內置用于封包緩存的專用12KBSRAM;可支持全雙工流控及半雙工背壓流控（backpressure）；并提供有MII,RMII,Rev-MII和Rev-RMII接口；另外，它也支持以太網遠程喚醒。

（6）外設通信接口。

AX22001/11芯片有4個串口，其中2個支持DMA.調制解調器控制引腳可支援遠程喚醒及最高921.6Kb/s波特率；該芯片支持DMA的快速SPI接口（包括3個主模式接口或1個從模式接口）和一個支持DMA 的I2S或PCM 接口，也支持DMA 的局域總線接口（主/從模式）和一個I2C接口（主/從模式）；芯片具有5通道可編程計數器組和一個1-Wire總線接口，可提供4組GPIO,每組8位；同時集成有32.768kHz振蕩電路（具有獨立的電源供應引腳），可用于實時時鐘和Wi-Fi節電模式的自動喚醒定時器；此外，芯片內部集成有80MHz鎖相環，可外接40MHz晶振；同時集成了上電復位電路；AX22001/11芯片采用128引腳LQFP封裝，且符合RoHS規范；工作溫度范圍為：0℃~+70℃。

1.3 AX22001/11的組成結構

圖1所示為AX22001/11的內部結構組成框圖。
該芯片由主處理器（MCPU）、Wi-Fi協處理器（WCPU）、64KB數據RAM、16 KB 程序RAM、1MB共用內存、時鐘及定時器、TCP/IP加速引擎、DMA 引擎、以太網MAC、802.11a/b/g 的無線網MAC/基帶及ADC/DAC、SPI串行總線、串口、I2C總線和局域總線等組成。

圖1 AX22001/11的結構框圖

2 基于AX22001/11的應用系統設計

圖2所示為采用AX22001/11及多種傳感器設計的無線環境監測/網絡傳感器及遙控系統的結構框圖，圖中，AX22001/11通過I2C總線與溫度傳感器相連，濕度傳感器、雨量測量傳感器、大氣壓力傳感器、風向傳感器、太陽輻射傳感器及熱電偶傳感器則通過單總線與AX22001/11相連，AX22001/11再通過通用輸入輸出GPIO與LED及繼電器相連，從而在LED上顯示傳感器測得的數據，同時也可以通過Wi-Fi網絡控制繼電器對電路參數進行調整。

圖2 基于Wi-Fi的無線環境監測/網絡傳感器及遙控系統

圖3是采用AX22001/11設計的串行接口與Wi-Fi轉換電路的系統框圖，該電路可支持多種串行通信模式，包括點對點的RS 232及點對多點的RS485和RS 422總線。

圖3 串行接口與Wi-Fi轉換電路

圖4是采用AX22001/11設計的ZigBee/藍牙與Wi-Fi轉換電路。ZigBee/藍牙系統可通過高速同步串行口SPI或通用異步串行口UART 與AX22001/11相連。

圖4 ZigBee/藍牙與Wi-Fi轉換電路

圖5是通過Wi-Fi傳輸音頻信號的電路框圖，音頻信號與AX22001/11相連可采用高速同步串行口SPI或I2C方式。

圖5 基于Wi-Fi的音頻信號傳輸框圖

3 結 語

隨著Wi-Fi基礎設施日益普及，支持多種擴展接口的AX22001/11Wi-Fi單芯片即可提供具有成本優勢的嵌入式網絡解決方案，以用于需要簡單、易用、低成本接入有線/無線局域網或互聯網的各類嵌入式應用，如消費電子、網絡智能型家電、Wi-Fi無線音箱、工業設備、保安系統、遠程數據采集、遠程控制、遠程監測及遠程管理等。