Wi fi pcmcia внутренняя схема микросхемы. Самостоятельно улучшаем домашний роутер

Виды беспроводных сетей 07.03.2020

Виды беспроводных сетей

Просмотры: 2762

ОБОСТРЕНИЕ КОНКУРЕНЦИИ
Сектор WLAN-изделий сегодня самый крупный на рынке беспроводных систем. Согласно прогнозам аналитической компании IDC, отгрузки полупроводниковых микросхем для систем беспроводных локальных сетей возрастут с 23,5 млн. в 2002 году до 114,5 млн. шт. в 2007-м, что обусловлено прежде всего ростом их применения в ноутбуках. Так, по оценкам аналитиков компании, к 2007 году 91% этих портативных систем будут оснащены чипсетами стандартов 802.11a/b/g, позволяющими пользователю подключаться к локальным сетям, работающим со скоростью передачи 54 Мбит/с (в соответствии со стандартом 802.11g) или 11 Мбит/с (в соответствии со стандартами 802.11b/a) в диапазоне частот 2,4 (стандарты 802.11b/g) и 5 ГГц (стандарт 802.11а). Уже в 2003 году около 42% ноутбуков были оснащены Wi-Fi-средствами. Применение же чипсетов стандартов 802.11a/b/g в мобильных телефонах не будет настолько широким. По данным компании IDC, в 2007 году доля телефонных трубок со встроенными функциями карманного компьютера, выполненных на основе чипсетов стандартов 802.11a/b/g, не превысит 5%. При этом чипсеты стандарта 802.11b будут стоить 5,9 долл., стандарта 802.11g – 6,8 долл., а двухдиапазонные микросхемы стандартов 802.11a/b/g – 7,4 долл. Снижение цен приведет к тому, что продажи Wi-Fi-микросхем за рассматриваемый период в стоимостном выражении увеличатся с 599 млн. до 1,1 млрд. долл. Неудивительно, что растет и число поставщиков микросхем для WLAN-систем. Все это обостряет конкурентную борьбу на рынке микросхем стандарта 802.11, побуждая производителей сокращать число микросхем в чипсете и расширять выполняемые ими функции. Чипсет, предназначенный для поддержки стандарта IEEE 802.11, должен содержать три основных функциональных блока:
· трансивер на частоту 2,4 или 5,6 ГГц;
· модем, поддерживающий мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM) и модуляцию CCK;
· унифицированный контроллер доступа к среде передачи данных (Media-Access-Controller – MAC), поддерживающий одну, две или все три версии a/b/g стандарта 802.11, а также их расширения.
Выпускаемые сегодня на рынок чипсеты стандарта 802.11, как правило, включают две микросхемы – МАС/baseband-процессор* и радиомодуль. При этом основное внимание уделяется созданию чипсетов, пригодных для работы с двумя или тремя версиями стандарта.
Самый большой рекламный "шум" легко создала компания Intel в 2003 году при продвижении технологии мобильных средств, поддерживающих стандарт 802.11b, для ноутбуков и карманных компьютеров семейства Centrino**. В 2004-м выпущены Wi-Fi мини-PCI-модем типа PRO/Wireless 2200BG, поддерживающий версии a и b стандарта 802.11 и обеспечивающий скорость передачи 11 и 54 Мбит/с, соответственно, а также модем типа PRO/Wireless 2915ABG, поддерживающий все три версии стандарта. PRO/Wireless 2200BG работает в ISM-полосе частот диапазона 2,4 ГГц и поддерживает технологию DSSS (прямую последовательность рабочих частот) для подключения к сетям 802.11b стандарта и OFDM для сетей 802.11g стандарта. В 802.11g стандарте модем обеспечивает дальность передачи в закрытом помещении 30 м при максимальной скорости 54 Мбит/с и 91 м при 1 Мбит/с, в 802.11b стандарте – 30 м при 11 Мбит/с и 90 м при 1 Мбит/с. Модем PRO/Wireless 2915ABG работает в UNII полосе частот 5-ГГц диапазона и поддерживает OFDM для сетей 802.11a/g стандарта и технологию DSSS для 802.11b сетей. В версии а стандарта дальность передачи в закрытом помещении составляет 12 м при 54 Мбит/с и 91 м при 6 Мбит/с, в версии b – 30 м при 11 Мбит/с и 90 м при 1 Мбит/с, в версии g – 30 м при 54 Мбит/с и 91 м при 1 Мбит/с.
Система беспроводной совместимости компании Intel позволяет снизить взаимные помехи микросхем семейства PRO/Wireless и приборов стандарта Bluetooth. Средства температурной калибровки динамически оптимизируют работу за счет регулировки выходной мощности в соответствии с изменением температуры.
Однако такие компании, как Broadcom, Atheros, Philips и IceFyre Semiconductor (Канада) успешно конкурируют с Intel, опережая ее в выпуске более совершенных чипсетов стандарта 802.11 стоимостью около 20 долл. при закупке крупных партий. И продвижению их продукции на рынке в немалой степени способствовали 300 млн. долл., затраченные фирмой Intel на рекламную кампанию мобильной технологии Centrino.
В середине 2004 года компания Broadcom объявила о создании однокристального решения для WLAN-соединений 802.11g стандарта. Эта микросхема трансивера BCM4318, входящая в семейство AirForce One, имеет на 72% меньшие размеры, чем традиционные Wi-Fi-модули, и дешевле их. Благодаря этому она найдет широкое применение в ноутбуках, карманных компьютерах и бытовых электронных приборах. Микросхема выполнена на базе технологии BroadRange, использующей цифровые методы обработки сигнала для получения высокой чувствительности. Она содержит высокоэффективный ВЧ-блок на частоту 2,4 ГГц, baseband-процессор стандарта 802.11a/g, МАС и другие радиокомпоненты. Благодаря уменьшению, в сравнении с существующими решениями, на 45% числа используемых компонентов микросхема позволяет снизить стоимость оборудования сетей бытовых устройств и устройств фирм малого бизнеса, в которых она используется.
Микросхема поддерживает технологию 54g – вариант реализации стандарта 802.11g фирмы Broadcom. Эта технология обеспечивает лучшую в промышленности комбинацию быстродействия, зону действия и защиту данных. Изделия компании, поддерживающие технологию 54g, совместимы с более чем 100 млн. установленными на сегодняшний день устройствами стандартов 802.11b/g.
В микросхеме предусмотрена схема управления питанием, продлевающая срок жизни батареи, а программные средства SuperStandby компании при проверке наличия входящих сообщений обеспечивают включение минимального числа элементов микросхемы на минимально возможное время. В результате в режиме ожидания уровень потребляемой мощности на 97% меньше, чем у традиционных WLAN-решений.
Кроме того, компанией выпущена система-на-кристалле – однокристальная микросхема маршрутизатора BCM5352E, выполняющая функции маршрутизации со скоростью 54 Мбит/с, переключение в сеть Fast Ethernet и обработку набора команд MIPS-процессором. Обе микросхемы поддерживают программные средства OneDriver компании, обеспечивая тем самым высокие производительность и защиту.
Осенью 2004 года компания Broadcom выпустила микросхему типа BCM4320 стандарта 54g со встроенным интерфейсом USB 2.0. Микросхема обеспечивает возможность Wi-Fi-подключения любого устройства с USB 2.0 портом к локальной сети. Благодаря размещению МАС/baseband-процессора 802.11a/g стандарта, USB 2.0 трансивера, процессорного ядра и памяти в одном корпусе компания не только уменьшила габариты и потребляемую мощность модуля беспроводной связи, но и на 50% сократила затраты на используемые материалы.
Один из самых известных разработчиков микросхем МАС и процессоров, а также программных средств для WLAN-систем – компания Texas Instruments. Ее однокристальная микросхема МАС/baseband-процесора TNETW1130 (рис.1) поддерживает скорость передачи 54 Мбит/с в частотных диапазонах 2,4 и 5 ГГц, а также все три версии a/b/g стандарта 802.11. Микросхема выбрана Wi-Fi Alliance в качестве образца разработки, используемого при проверке функциональной совместимости устройств стандарта 802.11g и гарантии функциональной совместимости сетей с устройствами 802.11b и 802.11g стандартов. В соответствии с требованиями стандарта 802.11i, обеспечивающего на сегодняшний день самый высокий уровень защиты данных, микросхема содержит акселератор для реализации протоколов защищенного доступа (WPA) и обязательной и дополнительных программ AES-стандарта. В ней также предусмотрен блок поддержки качества услуг передачи данных (Quality of Service – QoS) для выполнения расширенной распределенной функции координации и гибридной функции координации, что позволяет определять полосу частот возникающих приложений в реальном времени, таких как передача голоса по WLAN-сети, радиопередача, проведение видеоконференций и др. Кроме того, в функции микросхемы входит управление мощностью при передаче, что позволяет оптимизировать потребляемую мощность и продлить срок службы батареи.
Монтируется микросхема TNETW1130 в 257-выводной корпус BGA-типа размером 16х16 мм. Корпус совместим по разводке выводов с микросхемами MAC/baseband-процессоров предыдущих поколений.

ДАЛЬШЕ СОЕДИНЯТЬ, МЕНЬШЕ ПОТРЕБЛЯТЬ
Одно из основных направлений работ современных производителей чипсетов для сетей 802.11 стандарта – увеличение дальности действия. Этот параметр для большинства стандартных Wi-Fi-модемов не превышает 100 м в помещении и 300 м в открытом пространстве в зоне прямой видимости. Чипсет 802.11a/b/g стандарта четвертого поколения компании Atheros Communications серии AR5004X, содержащий две микросхемы и выполненный по технологии расширенной дальности (eXtended Range – XR), обеспечивает вдвое большую дальность действия – до 790 м. Чипсет обеспечивает возможность подсоединения прибора к локальной сети любого действующего сегодня 802.11 стандарта в любой точке мира. В чипсет входят две микросхемы, выполненные по КМОП-технологии (рис.2):
· двухдиапазонная "радиостанция-на-кристалле" (РНК) типа AR5112, рассчитанная на диапазоны частот 2,3–2,5 и 4,9–5,85 ГГц и содержащая усилитель мощности и малошумящий усилитель. Для специальных приложений предусмотрена возможность применения внешних усилителей (мощности и малошумящего). Микросхема позволяет обойтись без фильтров ПЧ и без большинства ВЧ-фильтров, а также внешних ГУН и ПАВ-фильтров. Напряжение питания микросхемы 2,5–3,3 В;
· многопротокольный МАС/baseband-процессор типа AR5213, поддерживающий РНК. Микросхема содержит блоки сжатия данных в реальном времени, быстрой покадровой и пакетной передачи, ЦАП и АЦП. Напряжение питания 1,8–3,3 В.
Увеличение дальности передачи достигнуто за счет совершенствования микросхемы МАС/baseband-процессора, а не ВЧ-микросхемы. XR-технология, используемая в микросхеме, позволяет сопровождать, калибровать и интерпретировать сигналы четырех OFDM-каналов. Благодаря сбросу скорости передачи при больших расстояниях решена проблема снижения отношения пиковой мощности к средней и улучшена эффективность кодирования.
Скорость передачи данных в стандарте 802.11a составляет 6–54 Мбит/с, в стандарте 802.11b – 1–11 Мбит/с и 802.11g – 1–54 Мбит/с. В чипсете предусмотрена также возможность работы в режимах Super G и Super AG, использующих адаптивную технологию радиосвязи и позволяющих автоматически определять свободные каналы с целью обеспечения максимальной пропускной способности. При этом скорость передачи достигает 108 Мбит/с. В результате типичное значение пропускной способности пользовательского канала может превышать 60 Мбит/с. Чувствительность приемника, обеспечиваемая чипсетом, составляет -105 дБм, что более чем на -20 дБм лучше значения этого параметра, приведенного в стандарте.
Еще одно важное достоинство нового чипсета – снижение потребляемой мощности. Большинство современных WLAN-радиостанций всегда включены, даже в отсутствие передачи или приема данных. В радиостанции на основе нового чипсета в нерабочем состоянии питание отключается, и в результате общее потребление мощности в сравнении с другими подобными устройствами сокращается на 60% (даже при работе со скоростью передачи 54 Мбит/с), а ток, потребляемый в режиме ожидания, составляет всего 4 мА.
Чипсет обеспечивает не только подключение к беспроводной сети, но и подачу сигнала тревоги при краже. В этом режиме питание микросхем комплекта не отключается, даже если устройство, в котором они используются (лэптоп, карманный компьютер или другой хост-прибор), не работает. В случае срабатывания при краже чипсет предупреждает сеть о несанкционированном изъятии мобильного устройства, даже если это устройство выключено.
Монтируются микросхемы комплекта в 64-контактный безвыводной пластмассовый корпус-носитель кристалла размером 9х8 мм или в 196-выводной корпус BGA-типа.
В конце 2004 года компания Atheros объявила о создании первого в мире полностью функционального Wi-Fi-модуля – AR5006X – на основе однокристальной КМОП-микросхемы AR5413 (рис.3), реализующего подключение к локальным сетям стандартов 802.11a/b/g. Микросхема содержит МАС, baseband-процессор и двухдиапазонный ВЧ-блок с улучшенными характеристиками. Благодаря возможности "бесшовного" подключения к любым Wi-Fi-сетям, поддержке 802.11i стандарта, а также поддержке режимов XR и Super AG, AR5006X сможет найти большой спрос у производителей комплексных систем для ПК, промышленного, торгового и бытового электронного оборудования. AR5006X не только позволяет исключить одну микросхему, входившую в предыдущий чипсет, но и сократить число используемых дискретных компонентов на 24. В результате удалось на 15% уменьшить число компонентов, применяемых в разрабатываемых устройствах, и существенно снизить затраты на материалы.
В однокристальной схеме поддержки стандартов 802.11a/b/g типа AR5413 использован усовершенствованный широкополосный приемник, в который входит контроллер последовательности каналов с наилучшими условиями передачи, обеспечивающий большую дальность передачи и более высокую стойкость к многолучевому распространению, чем традиционные приборы на основе эквалайзера. Как и в предыдущей микросхеме РНК, для специальных приложений предусмотрена возможность применения внешних усилителя мощности и малошумящего усилителя, а также исключены все фильтры ПЧ и большинство ВЧ-фильтров, а также внешние ГУН и ПАВ-фильтры. В целом по своим параметрам однокристальная микросхема сопоставима с предыдущим чипсетом.
Напряжение питания составляет 1,8–3,3 В. Монтируется микросхема в пластмассовый корпус BGA-типа размером 13х13 мм.
Массовое производство WLAN-устройства планировалось на четвертый квартал 2004 года. Цена его не должна превысить 12 долл. при закупке партии в 10 тыс. штук.
Возможности, предоставляемые стандартом 802.11, а следовательно, и рынки сбыта микросхем и чипсетов для них беспредельны. Если оснастить каждый карманный компьютер и сотовый телефон средством поддержки этого стандарта (или хотя бы части его), число пользователей такими устройствами возрастет с десятков миллионов до сотен миллионов человек. Это потребует немалого числа чипсетов с небольшим энергопотреблением. Первый шаг на пути создания таких микросхем сделала компания IceFyre Semiconductor, сообщившая в конце 2003 года о создании двух чипсетов: одного – SureFyre стандарта 802.11a и второго – TwinFyre для поддержки всех трех версий стандарта a, b и g.
В состав чипсета SureFyre входят:
· микросхема МАС-контроллера ICE5125 с малым энергопотреблением, поддерживающая версии 802.11a,b,h,I и предоставляющая гарантированное качество услуг передачи данных со скоростью более 30 Мбит/с (рис.4). Архитектура контроллера может быть масштабирована для обеспечения скорости передачи данных до 108 Мбит/с;
· микросхема физического уровня 802.11 типа ICE5351 (по утверждению разработчиков, на момент создания чипсета – единственная однокристальная схема физического уровня стандарта 802.11a);
· GaAs-усилитель мощности класса F с суммирующей архитектурой Ширекса на частоту 5 ГГц типа ICE5352, превосходящий по КПД традиционные усилители класса АВ в диапазоне выходной мощности 40–120 мВт.
Усовершенствовав конструкцию традиционного OFDM-модема, разработчики компании сумели вместить в микросхему физического уровня ICE5351 три вычислительных механизма. Это – световой отсекатель (Light Clipper), ограничивающий отношение пиковой мощности к средней мощности OFDM-сигнала до приемлемого уровня; адаптивный источник предварительных искажений; фазовый фрагментатор, разбивающий OFDM-сигнал передачи на множество сигналов с постоянной огибающей с отношением пиковой мощности к средней, равным 0 дБ (рис.5).
В состав чипсета TwinFyre входят те же микросхемы МАС-контроллера ICE5125 и усилителя мощности ICE5352, а также двухдиапазонная микросхема физического уровня типа ICE5825 со встроенным baseband-процессором, поддерживающим CCK модуляцию, и микросхема радиомодуля стандарта 802.11b/g типа ICE2501, обеспечивающая работу чипсета в двух диапазонах.
Выходная пиковая мощность обоих чипсетов превышает 1,1 Вт при скорости передачи 54 Мбит/с. Чувствительность приемника и линейность сигнала передачи, соответственно, на 10 и 2 дБ лучше, чем в 802.11 стандарте. Так, чувствительность приемника при скорости передачи 54 Мбит/с составляет -75 дБ (против заданного стандартом уровня -65 дБ), при минимальной скорости передачи (6 Мбит/с) она равна -95 дБ. Благодаря допуску на разброс задержки, равный 150 нс, а также пространственному разнесению антенн и регулированию мощности при каждой передаче пакета данных дальность в помещении при скорости 54 Мбит/с и частоте появления ошибок передачи 6% может превышать 40 м. При наружном двухточечном соединении дальность передачи при максимальной скорости составляет 2,9 км. Кроме того, чипсеты семейств SureFyre и TwinFyre предоставляют проектировщикам большую гибкость, позволяя использовать либо полную систему, либо только физический уровень для интерфейса с встроенным хостом или запатентованной МАС микросхемой. Линейность передачи сигнала чипсета TwinFyre при реализации стандарта 802.11b составляет -30 дБ, стандарта 802.11g – -27 дБ. Средняя выходная ВЧ-мощность превышает 20 дБм.
Максимальная потребляемая мощность обоих чипсетов почти вдвое меньше, чем у конкурирующих чипсетов, – 720 мВт. Благодаря таким низким энергозатратам и агрессивной системе регулировки мощности чипсеты компании IceFyre смогут обеспечить подключение сотового телефона или карманного компьютера к сети стандарта 802.11. Более того, эти чипсеты будут способствовать формированию сетей бытовых устройств, объединяющих телевизор, аудиосистему, телевизионную абонентскую приставку, кабельный модем и т.п.
Компания IceFyre планировала начать крупномасштабное производство 802.11a чипсета в первом квартале 2004 года, а 802.11a/b/g чипсета TwinFyre в третьем квартале того же года. Начальная цена чипсета SureFyre должна была составить примерно 20 долл., TwinFyre будет продаваться на 5–7 долл. дороже.

ОТВЕТ НА MIMO-ТЕХНОЛОГИЮ
Как и в любой отрасли, успешное продвижение WLAN-систем на рынке требует непрерывного увеличения их пропускной способности и улучшения качества связи. Можно выделить следующие три ключевых направления работ по совершенствованию таких систем:
· улучшение техники радиосвязи с целью увеличения скорости передачи;
· разработка новых механизмов реализации режимов физического уровня;
· повышение эффективности передачи, с тем чтобы компенсировать ухудшение производительности, связанное с передачей заголовков и переключением радиоустройства в режим передачи.
И при всем при этом необходимо поддерживать все три версии 802.11 стандарта. Один из способов повышения скорости передачи беспроводных систем – применение нескольких антенн на входе и выходе микросхемы реализации беспроводного подключения к локальной сети. Эта технология, получившая название multiple-input multiple-output (MIMO), или технологии "разумных" (смарт) антенн, использует столь нежелательное в беспроводных системах связи многолучевое распространение, поставив его на службу этим системам (рис.6). Она позволяет согласованно извлекать информацию, поступающую по нескольким каналам с помощью разделенных в пространстве антенн. Технология MIMO решает проблему повышения скорости передачи на большие расстояния и полной совместимости с уже существующими стандартами. И все это без использования дополнительного частотного спектра. По утверждению представителей компаний, выпускающих полупроводниковые Wi-Fi-микросхемы, MIMO станет ключевой технологией, обеспечивающей реализацию стандарта 802.11n, предусматривающего поддержку скорости передачи свыше 100 Мбит/с. Только в США в диапазоне 5 ГГц имеются 24 неперекрывающихся канала и три канала в диапазоне 2,4 ГГц. При 100-Мбит/с скорости передачи данных каждого из этих 27 каналов доступная пропускная способность может достичь 3 Гбит/с.
MIMO-технология разрабатывалась с 1995 года учеными Стенфордского университета, позже образовавшими компанию Airgo Networks (www.airgonetworks.com), которая в августе 2003 года объявила о создании опытного Wi-Fi-чипсета типа AGN100, выполненного по технологии True MIMO на базе уникальной многоантенной системы и обеспечивающего скорость передачи до 108 Мбит/с. Правда, для достижения такой скорости необходимо пользоваться маршрутизаторами и клиентскими платами, которые базируются на MIMO-технологии компании. При этом новый чипсет совместим со всеми существующими Wi-Fi-стандартами. Испытания показали, что по дальности передачи чипсет в два-шесть раз превосходит существовавшие на момент его выпуска устройства. В результате площадь зоны охвата каждой точки доступа (Access Point – AP) увеличилась на порядок.
Чипсет AGN100 содержит две микросхемы – МАС/baseband-процессора (AGN100BB) и ВЧ-модуля (AGN100RF). Архитектура микросхем может масштабироваться, что позволяет изготовителю реализовывать систему с одной антенной, используя одну ВЧ-микросхему, или увеличивать пропускную способность, устанавливая дополнительные ВЧ-микросхемы. Чипсет поддерживает все три версии 802.11a/b/g и отвечает требованиям принятого рабочей группой IEEE стандарта 802.11i на безопасность и защищенность связи, а также стандарта на качество предоставляемых услуг.
Как сообщила компания в конце 2004 года, за один квартал с начала продаж на розничном рынке было приобретено более 1 млн. MIMO-чипсетов.
О росте популярности MIMO-технологии свидетельствует и тот факт, что на выставке бытовой электроники (CES), проходившей 6–9 января 2005 года, ряд OEM-компаний представили свои WLAN-системы на основе этой технологии или их описание. И многие из этих систем, в том числе компаний Belkin, Netgear и Linksys, выполнены на чипсетах фирмы Airgo Networks.
Накаляет ситуацию и демонстрация на CES компанией Atheros Communications чипсета AR5005VL, поддерживающего MIMO-подобную работу систем на базе смарт-антенн. Чипсет, поддерживающий версии 802.11g и 802.11a/g, может работать с четырьмя антеннами и обеспечивать производительность пользователя 50 Мбит/с при установке на обоих концах линии (при установке чипсета на одном конце линии сети с множеством различных приборов 802.11g стандарта производительность составляет 27 Мбит/с). В нем использована техника формирования диаграммы направленности фазовых антенн и циклического разнесения ретрансляции. Кроме того, в схеме предусмотрены перспективные методы обработки сигнала, позволяющие объединять входящие ВЧ-сигналы и тем самым увеличить интенсивность и качество принимаемых сигналов.
Чипсет версии 802.11a/g поставляется по цене 23 долл. при закупке партии в 10 тыс. шт., версии 802.11g – по цене менее 20 долларов.
Рынок WLAN-устройств за последние четыре года заметно увеличился, и, очевидно, в ближайшее время темпы его роста не снизятся. А это открывает большие возможности для изготовителей элементной базы таких устройств.

ПОСТАВЩИКИ МИКРОСХЕМ ДЛЯ WLAN-СИСТЕМ

Компания

От Teхas Instruments включает в себя полнофункциональное ядро WiFi и производительный микроконтроллер Cortex-M4 с тактовой частотой 80 МГц и большим набором привычной периферии. Микросхема позволяет создавать законченные устройства Интернета вещей, использующее сеть WiFi для доступа в Интернет и разнообразные проводные интерфейсы для связи с внешним миром.

Для приложения пользователя доступны все ресурсы встроенного микроконтроллера — 4-канальный АЦП 12 бит, 4х16-битных таймера, интерфейсы UART, SPI, I2C и SD/MMC. Мультимедийные возможности чипа включают последовательный интерфейс для передачи аудио I2S и параллельный интерфейс для подключения видеокамеры. Для достижения высокой скорости обработки данных в микросхеме имеется контроллер прямого доступа в память (32-канальный DMA) и аппаратный акселератор для защиты передаваемой информации — узел шифрования AES-256.

Области применения CC3200

Умный дом и интеллектуальное здание;
Системы безопасности и управления доступом;
Промышленная телеметрия и беспроводные датчики;
Беспроводная передача звука и видео;
Интеллектуальные сети энергоснабжения (SmartGrid);
Доступ к Интернет и облачным сервисам для любых встраиваемых устройств.

Wi-Fi-подсистема CC3200 включает в себя отдельное ARM-ядро, которое выполняет все задачи по беспроводной передаче данных в прозрачном для пользователя режиме и не требует ресурсов микроконтроллера Cortex-M4, который полностью находится в распоряжении разработчика. С этой точки зрения CC3200 можно рассматривать как чип к которому просто добавили внешний микроконтроллер c ядром Cortex-M4. WiFi-радио CC3200 работает в стандарте 802.11 b/g/n и может выступать как в качестве базовой станции («раздавать интернет»), так и выступать в качестве клиента, подключаясь к любому обычному WiFi-роутеру. Эфирная скорость составляет до 72 Мбит/сек, при этом реальная скорость передачи полезных данных достигает 12 Мбит/сек в режиме TCP-соединения. От других подобных решений CC3200 отличается поддержкой большего набора режимов безопасного подключения к WiFi-сети и обеспечивает надежное защищённое соединение на основе протоколов TLS/SSL.

Несомненным достоинством CC3200 является созданная Texas Instruments экосистема, включающая встроенные в микросхему стеки протоколов Wi-Fi и TCP/IP, недорогие отладочные средства, примеры программ для типовых WiFi-задач и открытые разработки законченных WiFi-устройств для которых доступна полная схема, перечень элементов, разводка печатной платы и исходный код исполняемой программы.

Wi-Fi модуль ESP-01 – самый популярный модуль серии ESP8266. Общение с компьютером или микроконтроллером осуществляется с через UART с помощью набора AT-команд. Кроме того, модуль можно использовать как самостоятельное устройство, для этого необходимо в него загрузить свою прошивку. Программировать и загружать прошивки можно через Arduino IDE версии выше 1.6.5. Для прошивки модуля понадобится переходник UART-USB. Модуль ESP-01 может получить широкое распространение для использования в устройствах IoT (Интернет вещей).

Технические характеристики модуля

Wi-Fi 802.11 b/g/n
Режимы WiFi: клиент, точка доступа
Выходная мощность - 19,5 дБ
Напряжение питания - 1.8 -3.6 В
Ток потребления - 220 мА
Портов GPIO: 4
Тактовая частота процессора - 80 МГц
Объём памяти для кода
Оперативная память - 96 КБ
Размеры - 13×21 мм

Подключение

Рассмотрим режим AT-команд. Для этого подключим модуль к компьютеру через переходник USB-UART. Назначение выводов модуля (см. рисунок 1):

VCC - +3.3 В
GND - земля
RX, TX - выводы UART
ВыводCH_PD - Chip enable
GPIO0, GPIO2 - цифровые контакты

Модулю требуется внешнее питание 3.3 В.

Рисунок 1. Назначение контактов модуля ESP-01

Схема подключения для общения с модулем в режиме AT-команд (рисунок 2):

Рисунок 2. Схема подключения модуля ESP-01 к компьютеру по последовательному порту

Рисунок 3. Схема в сборе

Для отправки команд AT-команд в ОС Mac OS X можно использовать программу CoolTerm, в операционной системе Windows программу Termite. Узнать скорость COM-порта для соединения с модулем можно только экспериментально, для разных прошивок она может быть разной. Для моего модуля скорость оказалась равной 9600 бод. Кроме того установить обмен удалось только после отключения и повторного подключения к питанию вывода CH_PD. После подключения набираем в терминале AT и должны получить в ответ от модуля OK. Команда AT+GMR выдает номер версии прошивки модуля, команда AT+RST - перезагружает модуль (см. рис. 4). Список основных AT-команд можно посмотреть в этом документе (ESP8266ATCommandsSet.pdf).

Рисунок 4. Отправка AT-команд в модуль из программы Termite

Если режим AT команд для вас не удобен, плату можно настроить с помощью программы AppStack ESP8266 Config, скачать которую можно по ссылке http://esp8266.ru/download/esp8266-utils/ESP8266_Config.zip . Внешний вид программы представлен на рисунке 5. Настройка модуля осуществляется с помощью графического интерфейса, при этом выполнение команд можно видеть в мониторе программы (см. рис. 6). В мониторе также можно послать AT-команды из командной строки.

Рисунок 5. Программа AppStack ESP8266 Config

Рисунок 6. Serial monitor программы AppStack ESP8266 Config

Есть два варианта использования данного модуля:

в связке с микроконтроллером (например Arduino), который будет управлять модулем по UART;
написание собственной прошивки для использования ESP8266 в качестве самостоятельного устройства.

Пример использования

Рассмотрим пример подключения к модулю ESP-01 датчика влажности и температуры DHT11 и отправки данных в облачный сервис ThingSpeak (https://thingspeak.com/). Нам понадобятся следующие детали:

модуль ESP-01
макетная плата
датчик влажности и температуры DHT11
резистор 10 кОм
соединительные провода
блок питания 3 - 3.6В

Сначала подключим датчик DS18B20 к модулю ESP-01. DS18B20 – цифровой датчик температуры, работающий по однопроводному интерфейсу 1-Wire. Схема подключения датчика DS18B20 к модулю показана на рис. 7.

Рисунок 7. Схема подключения датчика DHT11 к модулю ESP-01.

Затем необходимо завести профиль в сервисе ThingSpeak. В сервисе есть инструкции для отправки данных в сервис и получения данных из сервиса.

Рисунок 8. Схема в сборе.

Программу будем писать в среде Arduino IDE для ESP8266. Будем использовать библиотеки ESP8266WiFi.h (встроенную) и OneWire.h. Загрузим на плату Arduino скетч из листинга 1 – получение данных с датчика температуры и отправка данных в сервис ThingSpeak. Необходимо внести свои данные для WiFi точки доступа для модуля ESP-01:

const char *ssid;
const char *password;

а также параметр privateKey для вашего приложения в сервисе ThingSpeak. Листинг 1 // сайт // Подключаем библиотеку для работы с esp8266 #include // Подключаем библиотеку DHT для работы с DHT11 #include // пин подключения контакта DATA #define DHTPIN 4 // датчик DHT11 #define DHTTYPE DHT11 // создание экземпляра объекта DHT DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); // ssid WiFi сети подключения const char ssid = "********"; // Пароль WiFi сети подключения const char password = "******"; // Сервер ThingSpeak const char* host = "184.106.153.149"; // API KEY вашего приложения ThingSpeak const char* privateKey = "****************"; // переменные для хранения температуры и влажности float temp; float humidity; // переменная для интервала измерений unsigned long millis_int1=0; void setup() { // запуск последовательного порта Serial.begin(115200); delay(10); Serial.print("Connect to WiFi"); Serial.println(ssid); // Соединяемся по WiFi WiFi.begin(ssid, password); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(500); } Serial.println("WiFi connected"); // запуск dht dht.begin(); } void loop() { // ждем интервал 10 минут if(milis()-millis_int1>=10*60000) { Serial.print("connect to ThingSpeak"); Serial.println(host); // Используем WiFi клиент WiFiClient client; if (!client.connect(host, 80)) { Serial.println("connection failed"); return; } // получить данные температуры temp = get_data_temperature(); humidity = get_data_humidity(); // Создаем URL с запросом для сервера String url = "/update?key="; url += privateKey; url += "&temp="; url += temp; url += "&humidity="; url += humidity; // Отправляем запрос на сервер client.print(String("GET ") + url + " HTTP/1.1\r\n" + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n"); delay(10); // ответ сервера ThingSpeak while(client.available()){ String req = client.readStringUntil("\r"); Serial.print(req); } } } Теперь в сервисе ThingSpeak мы можем смотреть график показаний нашего датчика температуры DHT11 (рисунок 9).

Рисунок 9. График показаний датчика температуры DS18B20 в сервисе ThingSpeak.

Часто задаваемые вопросы FAQ

1. Модуль не отвечает на AT-команды

Проверьте правильность подключения модуля;
Проверьте правильность подключения контактов Rx,Tx к переходнику UART-USB ;
Проверьте подключение контакта CH_PD к 3.3 В;
Подберите экспериментально скорость обмена по последовательному порту.

2. Модуль ESP-01 не получает данные температуры от датчика DHT11

Проверьте правильность подключения датчика DHT11 к модулю.

3. Не передаются данные в сервис ThingSpeak

Проверьте подключение модуля к точке доступа WiFi;
Проверьте подключение точки доступа WiFi к сети интернет;
Проверьте правильность запроса к сервису ThingSpeak.

Самый многочисленный класс роутеров – модели, обладающие «средними» характеристиками. Большинство таких систем, в то же время, построено на современной элементной базе. По идее, в роутере можно кое-что заменить, чтобы его улучшить. Рассмотрим, какие компоненты содержит схема роутера, чтобы решить, что именно нуждается в «апгрейде».

Как улучшить характеристики роутера

Роутер можно «улучшить» программно, установив в него альтернативную прошивку. Авторы этих прошивок – стараются делать так, чтобы все работало на стандартном «железе».

Аппаратный апгрейд роутера – это установка разъемов портов и увеличение объема памяти. Последнее, кстати, выполняют на свой страх и риск, так как замена микросхемы – операция сложная, а вероятность успеха здесь меньше, чем 100%.

Устройство современного роутера

Рассмотрим структурную схему роутера, построенного на базе микросхемы SoC (System on Chip). К процессору напрямую подключается память (ОЗУ), ПЗУ, модуль Wi-Fi и тактовый генератор:

Схема соединения модулей роутера

В реальности, многие чипы SoC не имеют в своем распоряжении пяти контроллеров LAN (так что, на плате будет распаян еще и свитч). Вдобавок, будут присутствовать элементы схемы питания, разные порты (USB, COM), кнопки и лампочки:

Устройство роутера – взгляд изнутри

Микросхема Soc, содержащая CPU
Память Flash
Оперативная память (2 модуля по 16 Мегабайт)
Радиомодуль (в данном роутере – CX50221 либо CX50321)
Аппаратный свитч
Порт для отладки
Разъем последовательной памяти SPI
Кнопка управления и reset
Контакты под USB-порт

Можно заметить, что на плате распаяно множество интерфейсов (например, USB), которые не используются. Логично начать апгрейд роутера с установки соответствующих разъемов. Но дело в том, что проблема может заключаться в отсутствии программного обеспечения, в котором нужный интерфейс – поддерживается.

В любой прошивке, изготовленной на базе Linux (что используется в большинстве роутеров), есть поддержка COM-порта. В самом роутере, чаще всего, такой порт – тоже присутствует. Надо просто припаять к плате пару-тройку контактов:

COM-порт на плате роутера

Rx и Tx – стандартные контакты последовательного интерфейса, Gnd – сигнальная земля. Кому нужно питающее напряжение, могут взять его с разъема SPI (но это – 3,3 Вольта).

Апгрейд микросхем памяти

В роутерах используется память SD-RAM или DDR, такая же, как в старых компьютерах (Pentium I..IV). Подобные планки памяти выпускались до появления DDR2, но их можно купить сейчас. Тем не менее, не нужно спешить! Сначала надо выяснить, какие именно микросхемы будут работать на данном роутере (не только их тип, например, PC133, но и марку).

После замены микросхем, возможны следующие «негативные» последствия:

Роутер работает, но объем памяти – остался прежним
Роутер не включается и не загружается

Вторая ситуация может возникнуть не из-за дефекта пайки, а всего лишь оттого, что установленные микросхемы – не совместимы с распаянным на плате процессором. При выборе памяти «наугад», так и бывает.

Память в роутере (две микросхемы Samsung)

Причины возникновения ситуации «1» вполне могут быть «программными», то есть, уметь задействовать всю память – стандартная прошивка не обязана.

«Аппаратные» причины ограничения объема – отсутствующая дорожка или резистор. Чип SoC адресует 128 Мб (для большинства моделей). На плате может отсутствовать дорожка старшего адреса (тогда, будет «видеться» только 64 Мб). Иногда проводник есть, но нет требуемых деталей (это может быть один резистор на нижней стороне платы).

Важно знать, что «первый» контакт на микросхеме выделен кружком или точкой. На плате в соответствующей области – должна быть стрелочка или единица.

Так ли уж важен апгрейд? Несложно микросхему припаять, труднее снять ее с платы, не убив при этом. Вот о чем следует помнить перед тем, как принять решение.

Активируем требуемый объем памяти в прошивке

Надо зайти в консоль управления роутером по SSH или Telnet. Последний из этих протоколов поддерживают все модели (но по умолчанию он может быть запрещен).

Дальше, выполняют команды:

nvram set sdram_init=0x11//верно для 128Мб, для 64 надо 0x13
nvram set sdram_config=0x62//или 0x32, надо пробовать
nvram commit//так надо

В завершение, останется перезагрузить роутер командой reboot. Посмотреть объем доступной памяти – можно тоже из консоли, командой free: