Микропроцессор ColdFire® MCF5208 производства компании Freescale - превосходный выбор для построения координатора ZigBee™ PAN

За прошлый год стандарт IEEE802.15.4 и спецификация ZigBee™, основанная на этом стандарте, создали в мире электроники реальное движение за счет, того, что они имеют ряд преимуществ по сравнению с другими доступными в настоящее время стандартами; эти преимущества позволяют удешевить реализацию системы и устройств, оптимизировать систему для минимизации потребления и обеспечить непревзойденные надежность и мобильность. За счет использования агрессивного сценария продвижения товаров, ежегодные отгрузки узлов стандарта 802.15.4 должны превысить в 2008 году 150 миллионов элементов (источник: In-Stat, 8/04).

Одной из ключевых проблем для инженеров, осуществляющих разработку сетей ZigBee™, является разработка инфраструктуры, особенно в некоторых более сложных прикладных областях. Возьмите, например, растущую область применения ZigBee™, которая является одной из основных областей применения: промышленность. Типовые промышленные системы могут потребовать установки около 5000 узлов стандарта 802.15. (источник: In-Stat, 8/04). В промышленности сети ZigBee™ должны будут покрывать большие участки, например большие офисы или производственные участки, и будут использоваться в различных приложениях: от управления системами теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC - Heating, Ventilation & Air Conditioning) до охранных систем и систем контроля доступа. Оба этих фактора увеличивают комплексность и количество узлов сети. Чтобы позволить создавать такие большие системы, покрывающие большие площади, необходимо создание множества уровней сети, содержащих как полнофункциональные устройства (FFD - Fully Function Devices), подключающиеся к узлам ZigBee™, так и приборы с урезанными функциями (RFD - Reduced Function Devices), которые обычно используются только для связи типа "точка-точка".

Для организации такого большого количества беспроводных точек разветвления сети необходима древовидная структура сети, которая позволит передать информацию от различных сетей ZigBee™ к центральной контрольной точке, при этом вся структура может контролироваться и управляться через координатор PAN. Координатор частной локальной сети (PAN - Personal Area Network) ZigBee™ - это центральная точка всей сети ZigBee™. На приведенном ниже рисунке показана базовая структурная схема сети ZigBee™, которая может быть реализована в пределах любого здания или промышленного центра для управления системами HVAC, защиты и контроля доступом и обеспечения пожарной безопасности. Это типовые приложения, в которых, как планируется, сети ZigBee™ будут применяться. Весь обмен данными здесь осуществляется через сеть ZigBee™.

Обычно, на самом низком уровне FFD и RFD будут управляться микроконтроллерами, которые будут подключаться по интерфейсу QSPI к приемопередатчикам сети ZigBee™. Выбор микроконтроллера будет зависеть от того, работает ли это устройство как FFD, формируя свои подуровни сети ZigBee™, или нет. Основной RFD будет, как правило, управляться 8- битным микроконтроллером, но в зависимости от степени интеграции FFD и сети, к которой он подключен, это может быть и 16- или 32- битным микроконтроллер.

Рисунок 1. Базовая структурная схема сети ZigBee™

Устойчивость сети ZigBee™ напрямую зависит от координатора PAN, поскольку он ответственный за координацию всей сети и обратную связь с центральным узлом управления. Ключевыми требованиями к координатору PAN следующие:

Интерфейс с центральным узлом управления

В больших, более сложных системах, например в производственных центрах, вероятно, что центральный узел управления не может находиться в пределах сети ZigBee™, он даже может находиться в другом здании. Поэтому вероятно, что координатор PAN будет осуществлять связь с центральным узлом управления через проводной канал. В связи с ростом принятия сетей Ethernet в промышленных системах, казалось бы, что наиболее вероятным был бы выбор этого типа сетей. Реализация Ethernet в системе имеет два потенциальных воздействия на разработку сети:

• Необходимо обдумать согласование ширины полосы пропускания микропроцессора, требуемой для обслуживания интерфейса Ethernet;
• Для управления интерфейсом Ethernet сети потребуются драйверы низкого уровня и протокольные стеки, что приведет к увеличению необходимой памяти программы контроллера PAN.

Управление обменом данными в сети PAN

За счет увеличения коммуникационного трафика в большой PAN сети потребуется более высокая пропускная способность координатора PAN.

Карта полной частной локальной сети ZigBee™

Координатор PAN должен помнить карту всей сети и выделять, какие узлы сети являются FFD или RFD, а также функцию каждого прибора. Для больших сложных индустриальных систем это приводит к потребности в большем количестве памяти.

Наличие способности динамической установки связи с узлами в сети

В больших системах очень вероятно, что в некоторый момент в существующую сеть необходимо будет добавить новые узлы. Координатор PAN должен быть способен легко установить связь с этими новыми узлами в любой точке сети, установить, является ли это FFD и RFD прибором, а также быть способным установить роль новых узлов сети. Для того чтобы координатор PAN был способен эффективно выполнить эту задачу, ему потребуется большой объем локальной памяти, а, следовательно, и способность адресовать память большого объема. Что делает микропроцессор MCF5208 прибором, который соответствует требованиям, предъявляемым к координаторам PAN? Он обеспечивает низкую цену и гибкость системы, которая может быть приспособлена для удовлетворения требований даже самых сложных ZigBee™ систем.

Ядро ColdFire® V2, которое реализовано в этом микроконтроллере, позволяет ему намного превышать параметры 8-, 16- или 32- битных микроконтроллеров, используемых в FFD или RFD узлах низшего уровня, за счет того, что при частоте 166 МГц он имеет производительность 159 MIPS. Наряду с высокими уровнями или параметрами, MCF5208 также содержит основные компоновочные блоки, которые позволяют легко реализовать ZigBee™ решение. К этим блокам относятся:

• 10/100Base T Ethernet MAC модуль с интерфейсом MII
• 8 КБайт объединенной кэш- памяти/16 КБайт SRAM
• Контроллер DDR SDRAM памяти
• Интерфейс внешней шины
• QSPI интерфейс
• 32- битные таймеры
• Множество последовательных соединений
• BDM/JTAG порт для отладки и тестирования

Рисунок 2. Структурная схема микропроцессора MCF5208

Микропроцессорная реализация

Одна из ключевых выгод от реализации устройства на основе микропроцессора состоит в том, что многие микроконтроллеры не имеют встроенной памяти объема, достаточного для того, чтобы управлять всеми драйверами низкого уровня, памятью программы и стеками протокола, а так же потенциально работать под управлением RTOS. Все эти функциональные возможности могли привести к системе, требующей где-нибудь от 1 до 4 МБ памяти, что больше, чем наиболее распространенные стандартные микропроцессоры и некоторые 8/16- битные микроконтроллеры могут адресовать. MCF5208 имеет интегрированный контроллер DDR SDRAM памяти, который обратно совместим с SDR DRAM памятью, что позволяет разработчикам выбирать тип DRAM памяти в зависимости от системных требований. Кроме того, интерфейс внешней шины позволяет использовать FLASH, (E)EPROM, ROM или SRAM память, что также дает гибкость в реализации системных требований.

Дополнительно, для оптимального выполнения кода, он содержит 8 КБайт объединенной кэш-памяти и 16 КБайт SRAM памяти. Наконец, другая главная выгода MCF5208 - то, что он был разработан специально для работы с низким потреблением - ключевое требование ZigBee™ приложений. Это - один из первых микропроцессоров с ядром ColdFire®, которое позволяет осуществить распределенную синхронизацию, позволяя подавать или блокировать синхронизацию отдельных модулей. Прибор позволяет при помощи низкопотребляющего делителя частоты, который синхронизирует вычислительное ядро, снизить частоту синхроимпульсов при работе от 8 МГц кварцевого резонатора до 244 Гц.

Чтобы помочь убедиться, что MCF5208 просто интегрировать в ZigBee™ приложения, прибор, как ожидается, будет поддерживаться большим количество разнообразных примеров прикладных программ, средств разработки и RTOS, включая свободные и дешевые предложения от обоих внутренних и основных сторонних разработчиков.

Резюме по MCF5208

В заключение следует сказать: MCF5208 является высоко интегрированным решением, имеющем множество встроенных периферийных модулей, таких как SPI интерфейс для управления ZigBee™ приемопередатчиком (MC13193) и Ethernet интерфейс, позволяющий интегрировать проводную сеть в ZigBee™ сеть при минимальных затратах. Кроме того, компания Freescale, в партнерстве со сторонними компаниями, помогает обеспечивать необходимые программные и аппаратные средства, необходимые для разработки и реализации ZigBee™ сетей. В целом этот прибор позволяет разработчикам получить все преимущества 802.15.4 ZigBee протокола.

Компания Freescale поставляет не только микропроцессор MCF5208 с ядром ColdFire®, который является одной частью IEEE 802.15.4 ZigBee™ решения, готовый ZigBee™ РЧ приемопередатчик MC13193 и законченное семейство микроконтроллеров и микропроцессоров, которые позволяют формировать ZigBee™ сети с различными степенями интеграции.

Чтобы получить больше информации о семействе ColdFire® и других изделиях компании Freescale, пожалуйста, посетите в Интернете страницу по адресу http://www.freescale.com/coldfire.

Дополнительная информация

Для получения более детальной информации, пожалуйста, обратитесь в ближайшее региональное представительство компании SPOERLE.

Гордон Падкин