CC3200 — микроконтроллер Cortex-M4 со встроенным WiFi. Самостоятельно улучшаем домашний роутер Активируем требуемый объем памяти в прошивке

Предлагаю сегодня познакомиться с новинкой радиолюбительской техники - WiFi модулем . Он представляет собой что-то наподобие уже давно всем знакомого NRF24L01, но по размерам чуть меньше и немного другой функционал. WiFi модуль имеет как свои неоспоримые достоинства, так и некоторые недостатки, последнее как раз скорее всего отчасти связано с тем, что это новинка и разработчики весьма странным способом подошли к этому - информация распространяется очень туго (документация дает лишь общие представления о модулях, не раскрывая их полный функционал). Ну что же, будем ждать снисхождения компании предоставившей "железо".

Особо стоит отметить стоимость модуля: на текущий момент она составляет 3-4$ (например на AliExpress)

Справа NRF, слева ESP модуль.

Что конкретнее представляет собой эти WiFi модули? На плате расположена сама микросхема WiFi, помимо того в этом же корпусе имеется микроконтроллер 8051, который можно программировать, обходясь без отдельного микроконтроллера, но об этом в другой раз, далее на плате расположена микросхема EEPROM памяти, необходимая для сохранения настроек, также на плате модуля имеется вся минимально необходимая обвязка - кварцевый резонатор, конденсаторы, бонусом индикация светодиодами напряжения питания и передачи (приема) информации. Модуль реализует интерфейс только UART, хотя возможности микросхемы WiFi позволяют использовать и другие интерфейсы. Печатным проводником на плате сделана антенна WiFi необходимой конфигурации. Самая большая деталь - это разъем 4 х 2 штырька.

Для подключения в схему этого модуль нужно подключить питание на VCC и GND, на TX и RX соответствующие вывода UART принимающего устройства (помните, что RX соединяется с TX, а TX с RX) и CH_PD (типа чип энэбл, без него все горит, но ничего не работает) на плюс питания.

Параметры модуля ESP8266:

  • напряжение питания 3,3 В (причем сам то модуль терпит 5 В, но выводы ввода - вывода откажутся работать скорее всего)
  • ток до 215 мА в режиме передачи
  • ток до 62 мА во время приема
  • 802.11 b/g/n протокол
  • +20.5dBm мощность в режиме 802.11b
  • SDIO (два вывода присутствуют на плате модуля, но ими особо нельзя пользоваться кроме как для служебных операций)
  • режимы сохранения энергии и сна для экономии энергии
  • встроенный микроконтроллер
  • управление по средством AT-команд
  • температура функционирования от -40 до +125 градусов Цельсия
  • максимальная дистанция связи 100 метров

Как было указано, модулем можно управлять посредством AT-команд, однако их полный список не известен, самое необходимое представлено ниже:

# Команда Описание
1 Просто тестовая команда, при нормальном состоянии модуль ответит OK
2 AT+RST
3 Проверка версии прошивки модуля, ответом будет версия и ответ OK
4

AT+CWMODE=<режим>

 Задать режим работы модуля mode: 1 - клиент, 2 - точка доступа, 3 - совмещенный режим, ответ OK
5 Получить список точек доступа, к которым можно подключиться, ответ список точек и OK
6

AT+CWJAP=<имя>,<пароль>

 Присоединиться к точке доступа, задав ее имя и пароль, ответ OK
7 Отключиться от точки доступа, ответ OK
8

AT+CWSAP=<имя>,<пароль>,<канал>,<шифрование>

 Установить точку доступа самого модуля, задав ее параметры, ответ OK
9 Получить список присоединенных устройств
10 Получить текущий статус TCP соединения
11


AT+CIPSTART=<тип>,<адрес>,<порт>

AT+CIPSTART=<айди>,<тип>,<адрес>,<порт>

 Соединение TCP/UDP
<айди>- идентификатор соединения
<тип>- тип соединения: TCP или UDP
<адрес>- адрес IP или URL
<порт>- порт
12

AT+CIPMODE= <режим>

Установить режим передачи:

<режим>= 0 - not data mode (сервер может отправлять данные клиенту и может принимать данные от клиента)
<режим>= 1 - data mode (сервер не может отправлять данные клиенту, но может принимать данные от клиента)
13

Для одного соединения (+CIPMUX=0):
AT+CIPSEND=<длина>
Для мульти соединения (+CIPMUX=1):
AT+CIPSTART=<айди>,<длина>

 Отправить данные
<айди>- идентификатор соединения
<длина>- количество отправляемых данных
Передаваемые данные отправляются после ответа модулем символа > , после ввода команды
14

Для одного соединения (+CIPMUX=0):
AT+CIPCLOSE
Для мульти соединения (+CIPMUX=1):
AT+CIPCLOSE=<айди>

 Закрыть соединение. Параметр для мультипоточного режима <айди>- идентификатор соединения. Ответом модуля должно быть OK и unlink
15 Получить IP модуля
16

AT+CIPMUX= <режим>

 Задать количество соединений, <режим>=0 для одного соединения, <режим>=1 для мультипоточного соединения (до четырех подключений)
17

AT+CIPSERVER= <режим>, <порт>

Поднять порт. <режим>- режим скрытности (0 - скрыт, 1 - открыт), <порт> - порт
18

AT+CIPSTO=<время>

 Установить время одного соединения на сервере
19

AT+CIOBAUD=<скорость>

 Для версий прошивки от 0.92 можно задать скорость UART
20

Прием информации

Данные принимаются с преамбулой +IPD, после которой следует информация о принятых данных, а потом сама информация

Для одного соединения (+CIPMUX=0): +IPD,<длинна>:<передаваемая информация>

Для мульти соединения (+CIPMUX=1): +IPD,<айди>,<длинна>:<передаваемая информация>

Пример: +IPD,0,1:x - принят 1 байт информации

Как вводятся команды:

  • Выполнение команды: <Команда>.
  • Просмотреть статус по команде: <Команда>?
  • Выполнить команду с заданием параметров: <Команда>=<Параметр>

При покупке модуля можно проверить версию прошивки модуля через команду AT+GMR. Версию прошивки можно обновить при помощи отдельного софта или при версии прошивки от 0.92 это можно делать только при помощи команды AT+CIUPDATE. При этом модуль нужно соединить с роутером для доступа к интернету. Прошивка и программа для прошивки модуля до версии 0,92 будет предоставлена в конце статьи. Для прошивки через софт необходимо вывод GPIO0 подсоединить к плюсу питания. Это включит режим обновления модуля. Далее выбрать файл прошивки модуля в программе и соединиться с модулем WiFi, обновление прошивки пойдет автоматически после соединения. После обновления последующие обновления прошивки возможны будут только через интернет.

Теперь, зная организацию команд модуля WiFi, на его основе можно организовать передачу информации по средством беспроводной связи, в чем, я считаю, их основное назначение. Для этого мы будем использовать микроконтроллер AVR Atmega8 в качестве устройства, которое управляется через беспроводной модуль. Схема устройства:

Суть схемы будет заключаться в следующем. Термодатчиком DS18B20 измеряется температура, обрабатывается микроконтроллером и передается по WiFi сети с небольшим промежутком по времени. При этом контроллер следит за получаемыми данными по WiFi, при получении символа "а" загорится светодиод LED1, при получении символа "b" светодиод потухнет. Схема больше демонстративная, чем полезная, хотя ее можно использовать для удаленного контроля температуры, например, на улице, необходимо только написать софт для компьютера или телефона. Модуль ESP8266 требует питания напряжением 3,3 вольта, поэтому вся схема запитывается от стабилизатора AMS1117 на 3,3 вольта. Микроконтроллер тактируется от внешнего кварцевого генератора на 16 МГц с обвязкой конденсаторами на 18 пФ. Резистор R1 подтягивает ножку микроконтроллера reset к плюсу питания для исключения самопроизвольного перазапуска микроконтроллера при наличии каких-либо помех. Резистор R2 выполняет функцию ограничения тока через светодиод, чтобы не сгорел ни он, ни вывод МК. Эту цепочку можно заменить, например, на цепь реле и использовать схему для дистанционного управления. Резистор R3 необходим для работы термометра по шине 1-Wire. Схему нужно питать от достаточно мощного источника, так как пиковое потребления WiFi модуля может доходить до 300 мА. В этом, наверное, и кроется главный недостаток модуля - большое потребление. Такая схема от батареек долго может не проработать. При подаче питания на схему во время ее инициализации светодиод должен 5 раз моргнуть, что будет свидетельствовать об успешном открытии порта и предыдущих операциях (после включения схемы по нажатию кнопки ресет светодиод может моргать по 2 раза - это нормально).

Более подробно работу схемы можно посмотреть в исходном коде прошивки микроконтроллера на языке Си, который будет представлена ниже.

Схема собиралась и отлаживалась на макетной плате, термометр DS18B20 используется в формате "зонда" с металлическим колпачком:

Для "общения" с такой схемой можно использовать как стандартный WiFi контроллер компьютера, так и построить схему приемопередатчика при помощи USB-UART преобразователя и еще одного модуля ESP8266:

К слову о переходниках и терминалах, эти модули достаточно капризны к ним, хорошо работают с преобразователем на CP2303 и отказываются адекватно работать с преобразователями, построенными на микроконтроллерах (самодельных), терминал лучше всего подходит Termite (там в настройках есть автоматическое добавление символа возвращения каретки, без чего также адекватно модуль не будет работать с терминалом). А вот просто при подключении к микроконтроллеру модули работают без нареканий.

Итак, для обмена информацией с микроконтроллером по WiFi будем использовать второй модуль, подключенный к компьютеру и терминал Termite. Перед началом работы со схемой каждый модуль нужно подключить через USB-UART и проделать несколько операций - настроить режим работы, создать точку подключения и подключиться к точке, к которой в последующем будем подключаться для обмена информацией, AT командой узнать IP адрес модулей WiFi (необходимо будет для подключения модулей друг к другу и обмена информацией). Все эти настройки сохранятся и будут автоматически применяться при каждом включении модуля. Таким образом можно сэкономить немного памяти микроконтроллера на командах подготовки модуля к работе.

Модули работают в совмещенном режиме, то есть могут быть как клиентом, так и точкой доступа. Если по настройкам модуль уже работает в этом режиме (AT+CWMODE=3), то при повторной попытке настроить в этот же режим модуль выдаст ответ "no change". Чтобы настройки вступили в силу нужно перезапустить модуль или ввести команду AT+RST.

После аналогичных настроек второго модуля в списке доступных точек появится наша точка под названием "ATmega":

В нашем случае схема WiFi будет такой - модуль с микроконтроллером будет подключаться к домашнему роутеру (фактически микроконтроллер в таком случае может выходить в интернет, если это прописать), далее поднимать порт и действовать по алгоритму. На другой стороне модуль также подключим к роутеру и соединимся с микроконтроллером через TCP (как показано на скриншоте, для этого нужно настроить режим передачи и количество соединений командами AT+CIPMODE и AT+CIPMUX соответственно и ввести команду на соединение с сервером AT+CIPSTART). Все! Если подключиться к точке доступа (WiFi точка только, к серверу нужно переподключаться каждый раз, ровно также каждый раз сервер нужно поднимать на другом конце каждый раз при включении питания) и перезапустить модуль, то надобности самостоятельно еще раз присоединяться нет, это тоже сохраняется в памяти и автоматически подключается при доступности при включении модуля. Удобно, однако.

Теперь данные о температуре автоматически должны пойти на компьютер, а по командам с компьютера можно управлять светодиодом. Для удобства можно написать софт под Windows и мониторить температуру по WiFi.

Командой AT+CIPSEND мы отправляем данные, при приеме данных появится сообщение "+IPD,<айди>,<длинна информации>:" после двоеточия идет наша полезная (передаваемая) информация, которую нужно использовать.

Одно НО - желательно модуль питать не от батареек, а от стационарного питания розетки (естественно через блок питания) из-за большого потребления модулей.

Это один из вариантов передачи информации между модулями WiFi, можно их подключать также без роутера напрямую друг к другу, а можно к модулю подключаться через стандартный WIFi компьютера и работать уже через него.

Функционал задействован самый очевидный этих модулей, кто знает, что там еще разработчики приготовили для нас!

Для программирования микроконтроллера нужно использовать следующую комбинацию фьюз битов:

В заключении хочется отметить, что это действительно революция интернет вещей! При цене модуля в несколько зеленых единиц, мы имеем полноценный Wi-Fi модуль с огромными возможностями (которые пока что ограничивают разработчики сего чуда), область применения просто не ограничена - везде, где позволит фантазия, а учитывая тот факт, что в этом модуле уже присутствует микроконтроллер, отпадает надобность в использовании внешнего микроконтроллера, однако который нужно как-то программировать. Так что, друзья, вот такое дело - даем Wi-Fi каждой розетке!

К статье прилагается прошивка для микроконтроллера, исходный код в программе , документация на микросхему модуля Wi-Fi, программа для обновления прошивки модуля и прошивка модуля версии 0,92 (архив разбит на 3 части, потому что общий размер его слишком велик, чтобы приложить к статье), а также видео, демонстрирующее работу схемы (на видео управляемая плата, соединенная по WiFi с управляющим модулем, управляемая плата периодически передает информацию о температуре, при погружении термометра в воду на видео видно, что температура начинает падать, далее если передать символ "а" от управляющего модуля, на управляемой плате загорится светодиод, а если символ "b", то он потухнет).

На этом, кажется, все. Не забывайте писать свои замечания и пожелания, при наличии внимания к этой теме будем развивать идеи для новых.

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
U1 WiFi модуль 1 В блокнот
IC1 МК AVR 8-бит

ATmega8

1 В блокнот
IC2 Датчик температуры

DS18B20

1 В блокнот
VR1 Линейный регулятор

AMS1117-3.3

1 В блокнот
C1, C2 Конденсатор 18 пФ 2 В блокнот
C3, C7, C8 Электролитический конденсатор 100 мкФ 3

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

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

  1. Микросхема Soc, содержащая CPU
  2. Память Flash
  3. Оперативная память (2 модуля по 16 Мегабайт)
  4. Радиомодуль (в данном роутере – CX50221 либо CX50321)
  5. Аппаратный свитч
  6. Порт для отладки
  7. Разъем последовательной памяти SPI
  8. Кнопка управления и reset
  9. 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:

  1. Роутер работает, но объем памяти – остался прежним
  2. 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:

Доступно 128 Мб

Удачного апгрейда!

А теперь (не пытайтесь повторить) – замена микросхем памяти при помощи паяльника 30 Watt: