釋放無線模塊的處理能力

當嵌入式設計人員利用無線模塊中經常被忽視的處理能力時，他們通?？梢韵到y(tǒng)微控制器，從而創(chuàng)建一個更小、更高效且生產成本更低的支持蜂窩的系統(tǒng)。以下是選擇可用作微控制器和調制解調器的模塊的指南。

在為嵌入式系統(tǒng)添加蜂窩連接時，許多設計人員選擇無線模塊，因為它們是預先集成的組件，并以少的配置執(zhí)行蜂窩通信。它們經過預可用于移動網絡，可以在范圍內部署。開發(fā)人員使用串行接口與模塊交互，而不必關心蜂窩調制解調器收發(fā)器設計的復雜方面。

通常情況下，設計人員將無線模塊與標準微控制器結合使用，這通常是材料清單中成本的兩個項目。微控制器管理應用程序并與外圍設備交互，而模塊主要負責蜂窩通信。

然而，許多無線模塊的功能遠不止管理蜂窩通信，因為它們通常使用包含 32 位 ARM 微控制器的集成芯片組。利用這種處理能力，設計人員可以使用該模塊來管理整個應用程序。該模塊可以充當中央處理器和調制解調器，無需獨立的微控制器。由此產生的系統(tǒng)更緊湊，使用更少的功率，材料成本明顯更低。

圖 1描繪了一個集成 ARM9 微控制器的示例無線模塊，這是嵌入式系統(tǒng)中使用廣泛的控制架構之一。

圖 1：無線模塊的詳細框圖，顯示了 ARM9 內核

當無線模塊的芯片組初設計于 1990 年代時，ARM9 是完整手機的微控制器。如今，作為嵌入式蜂窩調制解調器的模塊，ARM9 的主要功能是蜂窩控制，通常只使用不到其總處理能力的 20%，留下多余的能力來做其他事情。

然而，設計人員不能總是假設他們的無線模塊可以承擔整個應用程序，因為并非所有模塊都提供對 ARM9 過剩容量的訪問。一些模塊雖然使用與完全可編程模塊相同的基本芯片組，但出廠時只有一部分 ARM9 的引腳連接到外部封裝，使其無法訪問。

如今，設計人員在選擇提供完整 ARM 內核訪問的模塊時有多種選擇。有些將 ARM9 內核的 ARM946 變體與 ASIC 中常用的 DSP 功能集成在一起。至少有一家供應商正在開發(fā)具有其他 ARM 內核（包括 ARM926 和 ARM11）的模塊，因此設計人員很快就會有更多選擇。

盡管硬件和軟件要求因應用程序而異，但請仔細考慮這些基礎知識。

硬件 
為確保模塊的資源能夠支持完整的應用程序，請檢查可用的 MIPS 和內存資源以及功耗，尤其是在應用程序將使用電池的情況下。

CPU MIPS 
CPU MIPS 在用于蜂窩通信的應用程序和固件之間共享。表 1 給出了典型 2G M2M 模塊每項服務的平均 CPU 消耗。

表 1：每項服務的 CPU MIPS 消耗

要確定應用程序可用的 MIPS 數，請從可用總數中減去蜂窩通信所需的 MIPS。例如，如果以 104 MHz 運行的無線模塊總共有 87 MIPS 可用，則 GPRS 傳輸峰值將消耗大約 16 MIPS (18%)?？傆?87 MIPS 減去用于 GPRS 的 16 MIPS，剩下 71 MIPS 可用于應用程序。

尋找有助于化性能的功能。例如，直接訪問 UART 的低級 API（包括中斷處理程序）使 CPU 更容易為 GPS、藍牙或 ZigBee 等設備驅動外部芯片組。

內存 
模塊的內存資源也在蜂窩固件和主應用程序之間共享。ARM9 內核中設計的內存管理單元可保護任何分區(qū)內存并使它們保持獨立。圖 2 顯示了示例 3G 模塊中固件使用的內存。

圖 2：示例模塊中的內存使用情況。

示例模塊具有 128 MB 的總 NAND 閃存和 64 MB 的總 RAM 存儲器。蜂窩固件需要 82 MB 的 NAND 閃存用于非易失性數據，43 MB 的 RAM 用于全局變量、堆內存和調用堆棧。剩余的 46 MB NAND 閃存和 21 MB RAM 可用于主應用程序。由于NAND flash不能直接執(zhí)行代碼，所以代碼被復制到RAM中執(zhí)行。

對于使用壽命非常長的應用，一些模塊通過減少閃存擦除次數來延長閃存的使用壽命。系統(tǒng)在硬件或軟件重置期間保留某些變量的數據。這提高了重啟速度，尤其是在發(fā)生意外事件后，因為數據可以保留在 RAM 中。

電源 
大多數模塊都包含省電功能，尤其是在系統(tǒng)空閑時。待機功耗通常介于 1.9 mA 和 5.7 mA 之間，足以滿足電池供電系統(tǒng)的需求。然而，對于具有極端功耗要求的應用來說，它可能不夠低，在這種情況下，使用外部微控制器可能會產生更好的結果。

尋找當蜂窩功能處于非活動狀態(tài)時進入睡眠模式的模塊，以及快速啟動序列或根據操作狀態(tài)為各個模塊供電的功能等功能，這可以降低功耗。當進行無線傳輸時，一些模塊會暫停其他電池密集型操作。

軟件

RTOS 
嵌入式系統(tǒng)的選擇是多任務、搶占式實時操作系統(tǒng) (RTOS)，它免版稅并支持熟悉的編程語言以保持較低的總擁有成本。

多個模塊可與為機器對機器 (M2M) 應用程序定制的 RTOS 一起使用。它們包括蜂窩協議和 TCP/IP 堆棧，并針對通話時間和功耗進行了優(yōu)化?？紤]音頻功能，例如用于汽車的 VDA 2A 級、音頻診斷和過濾器，以及音頻播放器/錄音機/嗅探器功能。故障安全文件系統(tǒng)、SSL 和加密引擎等數據保護功能有助于提高應用程序的安全性。

ARM9 可能會管理外部異步事件并需要的定時功能。尋找可以減少異步事件延遲并可以驅動通過 SPI 或 I2C 連接的多個 IC 的 RTOS。這使得使用 CAN 控制器、加速度計或車輛傳感器、以太網或 Wi-Fi 控制器或補充 USB 或 UART 設備等附加功能擴展設計成為可能。集成的硬件定時器與低中斷延遲相結合，可以高精度地為外部事件添加時間戳，從而無需外部定時器。

由于許多嵌入式M2M設備將投入使用很長時間，因此選擇支持遠程軟件升級的RTOS很重要。如果運營商更改網絡或需要更新應用程序，可以使用軟件升級功能使更改。無線更新減少了服務電話并有助于避免召回。

應用程序庫 
精選的預配置軟件組件庫使設計人員無需為常用功能編寫代碼，因此開發(fā)進展迅速，調試更加簡單快捷。表 2給出了庫和函數的示例列表。

表 2：樣本庫 

開發(fā)環(huán)境 
一些模塊可用于基于 PC 的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，設計人員可以開發(fā)、編譯、、測試和調試整個應用程序。尋找基于 Eclipse 的 IDE，這是一種支持 Java、C 或 C++ 的多語言環(huán)境。其他節(jié)省時間的功能包括使用工具鏈和 GCC 參數進行項目編譯、嵌入式調試器，以及使用 AT、跟蹤和內存控制監(jiān)視目標的能力。應用程序庫通常伴隨著示例應用程序和示例設計。

設備管理 
為了簡化從開發(fā)到部署的過渡并支持持續(xù)維護，一些模塊提供基于云的管理服務，允許使用網絡門戶進行遠程監(jiān)控和升級。這些服務提供了一種在任何地點以任何規(guī)模測試、安裝和維護無線模塊的方法，同時確保安全性并保持低成本。當整個應用程序都在模塊上時，管理服務特別有用，因為無線監(jiān)控和更新可以評估和修改應用程序以及與電信相關的功能。

結論 
使用無線模塊的過剩處理能力來代替微控制器可以產生更小、更高效且生產成本更低的配備蜂窩的系統(tǒng)。并非所有無線模塊都可以配置為應用微控制器，但設計人員有很多選擇。在進行選擇時，重要的是要考慮硬件規(guī)格，包括處理能力、內存資源和功耗。設計人員還需要權衡軟件編程選項，如 RTOS 和軟件庫。一個模塊應該有一個完整的、易于使用的開發(fā)環(huán)境，由設備管理服務支持，以便對已部署的系統(tǒng)進行更輕松、更便宜的長期維護。