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3.2ZigBee的应用目标10
3.3现状和未来11
参考文献11
1DSP的应用
数字化技术正在极大地改变着我们的生活和体验。
作为数字化技术的基石,数字信号处理(DSP)技术已经、正在、并且还将在其中扮演一个小可或缺的角色。
DSP的核心是算法与实现,越来越多的人正在认识、熟悉和使用它。
1.1DSP的特点
DSP(D1g1ta]S1gnalProcessor)一数字信号处理器,是一种专用处理器,主要对数字信号进行实时处理,以得到相应的处理结果。
虽然应用于不同领域的DSP有不同的型号,但是它们的内部结构大同小异,都具有哈佛结构的特征。
其内程序空间与数据空间是分开的,而且还允许数据空间和程序空间相互传送数据,即改进的哈佛结构。
它们都支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以并行执行。
利用流水线结构,加上执行重复操作,在一个指令
周期内实现一次或多次乘法累加(MAC)运算。
DSP能够在一个指令周期内完成对存储器的多次读取。
所以,在DSP内集成了多个片内总线和多端口片内存储器。
许多DSP芯片内部都采用多总线结构,且片内具有快速RAM,可以保证在一个机器周期内可以多次访问数
据空间和程序空间。
为了更好满足数字信号处理的需要,在DSP的指令系统中,设计了一些特殊指令。
如,处理器中的运算大多是重复的运算,为了方便使用,大部分DSP都支持这种重复运算,而不用额外编写重复运算的指令。
为了加快处理器中的运算,在DSP中
集成了多个地址产生单元,以支持循环寻址和位翻转寻址。
大部分DSP都提供多个串行或并行I/O接口,以及特别I/0接口来处理特殊的数据,以降低成本和提高输入/输出性能。
1.2目前DSP的主要应用
在70年代末和80年代初。
DSP只有在大学和航天部门才能用到。
今天,DSP己经成为通信、计算机、网络、工业自动控制和家用电器等电子产品中不可缺少的基础器件。
目前DSP的主要应用有如下方面:
(一)信号处理:
数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等。
(二)图像处理:
二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、模式识别、动画、机器人视觉等。
(三)网络和互联网:
PC机、高速调制解调器、数据传输、处理等。
(四)通信:
数字蜂窝电话、调制解调器、自适应设备、线路转发器、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、电视会议等。
(五)消费类电子:
雷达,高保真音响、数字收音机、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。
(六)语音:
语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等。
(七)军事:
保密通信、系统故障检测、雷达处理、声纳处理、遥感遥测、导航、导弹制导等。
(八)工业:
自动控制与制造、机器人控制、数据控制、在线监控等。
(九)医疗:
医疗诊断设备、病人监控、修复手术、超声设备等。
(十)仪器仪表:
频谱分析、数字滤波、函数发生、锁相环、模式匹配、地震处理。
等。
1.3DSP在我国的应用和存在的一些制约因素
在中国,手机、DVD等数字消费产品是应用DSP的主要方向,随着HDTV、视频电话等高技术消费类产品的成熟、成本的降低,在不久的将来飞入寻常百姓家,从而成为我国下一个十年DSP应用的主要力量。
虽然我国DSP在应用的推动下取得了一定的发展,但是,依然存在着一些制约因素阻碍着DSP技术更快的普及。
1.价格仍然较贵;
现在国内最便宜的DSP芯片的价格与高档的单片机价格差不多,是低档单片机的几倍甚至十几倍。
2.技术水平的限制;
由于DSP的运算速度极快,电路中会因高频出现干扰等技术问题,解决方案并非轻易能够掌握。
3.开发工具有待改善;
尽管现有的DSP开发工具已经较为丰富,但有的工具在设计中存在一定的欠缺,这就增加了DSP用户在设计产品中的难度。
1.4DSP的典型系统
随着信息化的进展和计算机科学技术、信号处理理论与方法的迅速发展,通信、工业过程控制等需要处理的数据量越来越大,对实时性和精度的要求越来越高。
低档的微处理器己不能满足要求。
高性能DSP的出现,软件和开发工具的完善,价格的大幅度下降,使得DSP器件和技术具有广阔的应用前景。
越来越多的用户开始选用DSP提高产品的I'
~L-。
用DSP器件作实时处理己成为当今和未来技术发展的一个新的热点。
以TI公司的TMS320C2XX为例,该产品具有良好的性价比,其中TMS320C203单片价格不到人民币100元,芯片内置544字的高速SRAM。
外部可寻地址64K字程序,数据及输出输入接口,指令周期在25—50ns。
实时性处理比16位单片机快2倍以上。
TMS320C206除具有TMS3200C203的功能外,内置32K零等待快闪SRAH,能最大限度地减少用户板的体积。
TMS3200C240的指令、DSP核与TMS3200C203、C206完全兼容,内置8K、16K字快闪存储器,增加了两路1O位AD,每路采样频率达到166KHz,提供9路独立的PWM输出,内置SCI和SPI接口、CAN总线接口。
这大大增强了TMS3200C240的处理能力,在工业控制方而显示了强大的生命力
1.5现代DSP的发展趋势
DSP器件的发展,必须兼顾3P的因素,即性能(Performance),功耗(PowerConsumptiOn)和价格(Price)。
总的来说,随着VLSI技术的高速发展,现代DSP在价格显著下降的同时,仍然保持着性能不断提升和单位运算量的功耗不断降低。
下面我们简单说明现代DSP芯片的发展趋势:
传统的DSP芯片通过采用“与或”单元和改进的哈佛结构,使其运算能力大大超越了传统微处理器。
一个合理的推论是:
通过增加片上运算单元的个数以及相应的连接这些运算单元总线数目,就可以成倍地提升芯片的总体运算能力。
当然这个推论有两个前提条件必须满足:
首先是存储器的带宽必须能够满足由于总线数目增加所带来的数据吞吐量的提高;
另外,多个功能单元并行工作所涉及的高度算法其复杂度必须是可实现的。
随着芯片主频的不断攀升,存储器的访问速度目益成为系统性能提升的瓶颈。
在现有的制造工艺下,片上存储单元的增加将导致数据线负载电容的增加,影响到数据线上一信号的开关时间,这意味着片上高速存储单元的增加将是十分有限的。
为丁解决存储器速度与CPU内核速度小匹配的问题,高性能的CPU普遍采用Cache(高速缓存)机制,新的DSP芯片也开始采用这种结构。
以TI的C64xDSP为例,它采用两级Cache的结构,如图2所示。
LICache分为独立的程序缓存(LIP)和数据缓存(LID),其大小各为16KBytes.访问速度与DSP内核的运行时钟相匹配,L2Cache则采用统一的形式管理,其大小从256KB到1MB不等,访问速度相比L1cache大大降低。
L2Cache通过DMA与外部低速的存储器件进行数据交换。
为增加Cache的命中率,C64x的Cache还采用了多路径的结构形式。
研究表明,在很多情况下,采用这种多级缓存的架构可以达到采用完全片上存储器结构的系统约80%的执行效率。
但是,采用Cache机制也在一定程度上增加了系统执行时间的不确定性,其对于实时系统的影响需要用户认真地加以分析和评估。
对于特定的终端应用,SoC(系统芯片)可以兼顾体积、功耗和成本等诸多因素,因而逐渐成为芯片设计的主流。
DSP器件也逐渐从传统的通用型处理器中分离出更多的直接面向特定应用的SoC器件。
这些SoC器件多采用DSP+ARM的双核结构,既可以满足核心算法的实现需求,又能够满足网络传输和用户界面等需求。
同时,越来越多的专用接口以及协处理器被集成到芯片中,用户只需添加极少的外部芯片,即可构成一个完整的应用系统。
以TI公司为例,其推出的面向第3代无线通信终端的OMAP15100芯片等,面向数码相机的DM270芯片等,面向专业音频设备的DA610芯片等,面向媒体处理的DM642芯片等,都是SoC的典型例子。
2嵌入式应用
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。
基于嵌入式的应用例子多之又多.应用领域也广之又广。
然而如何平衡好信价比找到更适合某种应用的嵌入式产品,开发更适合的创新产品一直是一个复杂而叉必须解决的问题。
美国微芯科技公司(Micmchip)总裁兼首席执行官stevesan曲j把分布式智能化比喻成巨大的冰山,冰山一角是我们可以看到浮出海面的部分,微处理器的应用、电脑等的运用。
在这个分布式智能化冰山下面的部分.也就是说大家可能看不清楚的在海面以下的部分我们可以看到嵌入式的智能单片机的运用.每年多很多,是48亿片!
2.1核心
嵌入式系统的核心是微控制器(MCU)。
微控制器一般就具备以下4个特点:
(1)对实时多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间,从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。
(2)具有功能很强的存储区保护功能。
这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化,而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护功能,同时也有利于软件诊断。
(3)可扩展的处理器结构,以能最迅速地开展出满足应的最高性能的嵌入式微处理器。
(4)嵌入式微处理器必须功耗很低.尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此,如需要功耗只有mW甚至斗W级。
2.28位16位32位
美国半导体产业协会(SIA)日前公布.9月份全球芯片销售额增长至214亿美元,比2005年9月增长9.3%.比2006年8月的205亿美元上升4.2%。
2006年第三季度全球半导体销售额达641亿美元,高于今年第二季度的593亿美元,增幅为8%。
2006年1.9月.全球芯片销售额总计为1540亿美元.比去年同期的1420亿美元增长8.5%。
而9月微处理器比8月增加4%,但比去年同期下降11%。
据说,同比下降主要是因为价格竞争抵消了单位销售上升的影响。
由此我们不难发现,MCU竞争异常激烈。
飞思卡尔(Fbesca妫公司主席兼首席执行官MichelMayer曾经表示:
你需要把注意力放在擅长的地方.我们的强项在用于日常产品的嵌入技术。
不过,他也承认开始关注8位微控制器之外的市场机会。
目前看来。
日常产品使用8位的MCU是非常合适的。
而8位MCU主要面临的就是底价格问题。
有了MCU的帮助将更加现代化,但是要普及一个价格昂贵的日常用品显然是有难度的。
这类产品获利面可能非常小,所幸的是.随着电子技术的进步,便宜而又智能的普及型嵌入式产品初露端倪,相信不久的将来就会进入我们的生活。
2.3高端MCU竞争聚焦更复杂应用
随着消费电子、医疗、工业和电机控制应用对性能和存储器的要求越来越高。
8位微控制器的性能已少有发展空间。
业界普遍有种说法:
8位、32位MCU是未来市场的MCU,16位MCU最终是过渡产品。
然而。
16位和32位MCU都有着各自广阔的发展空间。
16位MCU既具有比8位更高的性能,又具有比32位更快的响应时间、更低的成本,因而在某些应用中具有很大的优势。
例如,在家庭安防系统中.中央控制器在远程呼叫中需要可满足语音功能并能够进行噪音消除的数字信号控制器(DSC);
再比如在汽车的气囊主控制器中。
主MCU就需要16位的产品收集信息并实施控制;
此外,16位MCU在家电、玩具、工业以及办公自动化和通信等应用中都有市场需求。
从长远发展看,16位MCU仍然会有广阔的市场前景。
32位MCU的最大好处是可以支持大容量的存储器和提供大量的I/o接口,一方面可以容纳越来越大的程序来满足复杂的控制需求,另一方面大量的I/O引脚可以节省许多外围器件,例如深度F球o、U创RT上的附加寄存器组以及数模转换器上的附加插入电路等。
从而降低系统成本。
2.4值得关注的MCU特性
融合过渡的混合型MCU进人了我们的视线。
飞思卡尔半导体公司近期推出的新型ColdFireV1内核可以提供32位的性能.同时还具备8位微控制器的易用性,其价位也能为传统的8位产品设计者所接受。
飞思卡尔副总裁兼微控制器部门总经理MikeMcCourt表示:
“飞思卡尔提供Con仃ollerC彻血u砌的下一步就是68K/ColdF的V1内核,我们的8位和32位产品兼容性的路线图将使设计者能够毫不费力地在8位与32位微控制器之间进行迁移。
我们的下一代基于V1内核的产品将以16位产品的价格提供32位的性能,并具备了8位产品的易用性。
”
2.5未来是谁的天下
MCU的未来市场仍将保持高速增长。
而汽车电子和消费类产品将是市场增长主要动力。
2.5.1汽车电子
在车用MCU领域,目前内置闪存的MCU已经成为主流.其最大的优势是灵活性。
它可以让汽车制造厂在车间的最后一分钟才配置车辆的特性集和控制算法。
另外,相对片外闪存来说.汽车电子制造商不会有交货和价格方面的困扰,同时由于片上闪存没有高速总线。
所以对车内设备不会产生辐射干扰。
同时,支持cAN、LJN总线标准及其他标准的MCU也受到青睐。
汽车MCU的应用视功能而定,32位MCU在消费电子领域的应用势如破竹.但由于今天的汽车系统是分布式架构,所以32位的应用势头并不会象消费电子领域那样火暴,另外,汽车电子领域是成本意识很强的市场,虽然4位MCU在淡出.但8位/16位MCU会因其独特的成本优势占据车身控制和传感器应用领域。
虽然32位MCU还不能成为主流,但它的应用不断扩展是不争的事实。
高性能32位MCU目前主要用于引擎控制和汽车信息系统,但未来安全气囊、ACC、ABS、EPS、SAFE-by-W的等都会图22006—2010年中国嵌入式MCU市场预测图3汽车电子与消费类产品将是市场增长主要动力.曼门历夏石面石而应用32位MCU。
SteveSan表示:
“汽车里面的运用我们已经有了所有汽车的气囊用的都是加速度传感器,原来只有一个,现在一个车的标志标准是有五个,每个门旁边各有一个,所以现在的市场基本是饱和了。
下一步的成长是在汽车的ESP系统,你要开比较高档的车,宝马什么的,他们都是有ESP系统,如果车在雪地里面开如果打滑的话。
四个轮胎的轧是用电脑控制的。
如果往外滑的话,外面的轧会缩紧,这个是非常好的,这个应用以后会用在每个车里面,每个车里面都需要两三个的.所以这个是目前汽车工业最大的增长点。
2.5.2消费品
MCU市场的另一大驱动力是消费类电子,特别是对中国市场来说,,庞大的传统家电产业对MCU有着巨大的需求。
近年来,诸如运用于微波炉上的多重感应温控功能、蒸汽烹调功能:
运用于空调上的空气污染管理功能、增加空气湿度功能等等,白色家电产品正凭借着各种传感信息变得越来越丰富多样。
此外.人们正不断追求着具有更为精确的温度调节功能的微波炉、电磁炉(Ⅲ调理器),噪音更低的空调、洗衣机。
为了将这些变成现实,就需要将从各种传感器得来的信息进行实时处理,进行超精确的控制。
富士通微电子近期上市的主要用于高性能白色家电的MB91470系列产品.采用了目前业内最多的20通道高性能A/D转换器,通过各种各样的传感器可以感知极为细小的变化,并具有运作平滑的性能。
这些为开发高性能的多功能、省电节能、低噪音的白色家电保障。
3ZigBee应用
虽然蓝牙技术已经为人们带来了设备之间以无线方式交换数据的新体验,但由于成本等原因,它并没有得到预期的迅猛发展。
而与此同时,一些著名公司开始研发一种和它类似的短距离无线连接技术,这就是2002年8月由英国Invensys公司、美国Motorola公司、日本MJtsubishi公司和荷兰Philips公司等厂商联合推出的低成本、低功耗无线数据技术——zi异Bee技术。
目前,由这几个公司为骨干的ZigBee联盟已经有33个成员,其中涵盖了半导体生产商、服务提供商、消费类电子产品厂商、OEM商等。
ZigBee不是这些厂商单方面开发出的技术,而是国际电工联盟即将完成的—I'
EE—E802.15.4标准。
3.1ZigBee的技术特点
ZigBee作为一种无线连接新规格,可工作在2.4G(全球流行)、868mi~(欧洲流行)和915删z(美国流行)这三个频段上,并在这三个频段上分别具有250kbps、20kbps和40kbps的最高数据传输速率。
它的传输距离在10米一75米的范围内,但也可以更大。
实际的传输距离依据发射功率的大小和应用模式而定。
而这个传输距离已经完全可以满足家庭和办公环境的应用需求。
而且,一台ZigBee设备可以连接多达254个其他ZigBee设备。
工作频带ZigBee最显著的技术特性是它的低功耗和低成本。
由于采用较低的数据传输速率、较低的工作频段和容量更小的Stack,并且将设备的Zig.Bee模块在未投入使用的情况定义为低功耗的休眠状态,ZigBee模块的整体功耗非常低。
据称,根据现有的ZigBee技术规格制造的产品,在绝大多数目标应用场合下仅靠2节标准5号电池就可以持续工作6个月至两年。
另外,ZigBee模块是集成度很高的单芯片,目前成本为6美元,预计生产成本可降至2—3美元。
3.2ZigBee的应用目标
ZigBee技术的目标不是要和蓝牙技术竞争,而是要补充蓝牙技术的盲区。
蓝牙技术的高带宽特性使它更适合于音频、视频和图像等多媒体设备,以及需要经常交换大量数据的设备。
而zigBee技术更适合于轻巧的便携式设备、数据交换量不高的设备、无线控制设备和需要大量挂接的设备。
ZigBee的应用目标是:
PC外设、(键盘、鼠标、游戏控制杆)、消费类电子设备(Tv、~CR、cD、~CD、DVD等一:
设备上的遥控装置)、室内智能控制(照明控制、空调控制、煤气计量控制及火灾报警等)、玩具(电子宠图5ZigB~的层次结构物)、医护(监视器和传感器)、工业控制(监视器、传感器和自动控制设备)等等。
虽然ZigBee和蓝牙共同工作在2.4GHz的频率上,但它们之间的干扰却微乎其微。
ZigBee模块在未投入使用的情况下属于低功耗的休眠状态,因此,对蓝牙设备的数据传输造成干扰的可能性极小。
反之,如果蓝牙设备对ZigBee设备的数据传输造成干扰,致使丢失数据包,ZigB~的发送方将收不到接收方的反馈,则发送方将重新发送数据,直到数据被正确传输为止。
3.3现状和未来
ZigBee作为IEEE802.15.4标准,IEEE正在制定物理层和数据链路层的标准,这项工作已经接近尾声。
与此同时,ZigBee联盟正致力于软件栈、高层和ZigBee芯片组的开发工作,于2003年初完成了网络层和会话层等高层协议的制定。
蓝牙技术填补了远距离和中距离无线技术顾及不到的盲区.使人们感受到无线技术在设备问传输数据的便利,并成功地推动了短距离无线连接技术的应用。
而ZagBee技术又填补了蓝牙技术的空白,并以其低功耗和低成本的特性逐渐显示出它在某些领域的优势。
参考文献
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北京:
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【5】DiXie,W.,ThefirstTenYearsofPublic-keyCryptography,Proc.IEEE,Vol
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【6】Massey,J.IJ.,“AnIntroductiontoContemporaryCryptology”Proc.IEEE
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