面向嵌入系统的480Mb/s无线UWB链路

实施方案

图5所示为使用爱特梅尔公司CAP可定制微控制器实现UWB-MAC的例子。该系统级芯片(SoC)利用Atmel微控制器外设，如USB主机和设备、以太网MAC和外部存储控制器。这些设备可通过多层高级主机总线(Advanced Host Bus, AHB)与UWB-MAC高速交换数据，并借助ARM外设总线(Advanced Host Bus, APB)控制数据。

图5 集成UWB-MAC的嵌入系统结构图

UWB物理层(UWB-PHY)可以是Wionics Research公司的RTU7012双频物理层(Dual Band PHY)，该物理层符合WiMedia PHY 1.1和 PHY 1.2技术规范，可在UWB频带群1和3中工作。

1 低延迟UWB媒体访问控制器

UWB标准的许多参数都由微控制器固件来控制。这样，在需要增添其他高层协议如无线USB时，无须任何硬件修改。使用固件实施方案，还可降低规范变更的风险，并提高了灵活性。

MAC可在UWB设备间按任何方向传输任何数据。例如，一个无线发送视频信号的应用，来自数字视频接口的数据通过AHB传送到与外部总线接口(External Bus Interface，EBI)连接的SDRAM。该SDRAM用作一个视频中间缓冲器(见图6)。MAC从该SDRAM提取视频数据，并将其传送到UWB网络以完成传输。在相反的方向上，则将UWB物理层接收到的数据传送到SDRAM。

图6  UWB-MAC用作总线主控

在UWB网络和SDRAM之间传输数据时，MAC用作AHB总线，无须处理器核进行干预。这意味着处理器不会被数据传输任务占用，因而可用于控制后续UWB超帧的MAC设置。在这种架构下，任何AHB总线设备都可成为数据传输的目标或源，无论是传送到UWB-MAC，还是从UWB-MAC传出。对于UWB无线模块的接口，UWB-MAC采用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口标准。

2  集成在可定制应用处理器中的UWB-MAC和控制器外设

嵌入系统的其他必备部件包括用于电池管理的A/D转换器和脉宽调控器(PWM)。为将所有部件集成到SoC芯片中，并降低这种电池供电设备的功耗，选择标准的ASIC器件显然比较适合这类嵌入应用。

如果预计产量太低，不足以分担采用标准ASIC的开发成本，而功耗和成本又不允许采用FPGA，爱特梅尔公司的CAP可定制应用处理器显然就是最合适的选择(见图7)。这款基于ARM技术的微控制器具备所有常用的外设和标准Atmel ARM微控制器的软件驱动程序，外加实现用户定制功能的金属可编程逻辑区域，可在CAP金属可编程区域实现UWB-MAC和其他定制IP核，类似于门阵列。该微控制器的其他标准外设如外部总线接口(EBI)，可用于控制SDRAM，可以避免增添内存控制器的技术风险和成本。

图7 使用带有金属可编程模块的Atmel CAP9可定制微控制器实现UWB-MAC

为便于UWB应用开发，爱特梅尔公司提供一款CAP UWB评测工具套件(见图8)。CAP9器件的固定部分是一个标准的微控制器，该微控制器与一个用于仿真金属可编程模块的高密度FPGA耦合。用户可以快速配置这款评测工具套件，仿真目前正在开发的设计，在FPGA中实现UWB MAC和其他专用逻辑。在扩展板卡上实现UWB物理层。CAP UWB评测工具套件与一台运行业界标准ARM开发工具的PC连接，以完成系统开发和调试。这样的开发方式允许软硬件开发并行，从而大幅缩短开发时间。当系统经全面调试后，将UWB MAC和专用逻辑重新映像到CAP的金属可编程模块中，提供了组件数目较少的完整的UWB收发器。这种低成本、中等数量UWB解决方案非常适合嵌入式系统开发。

图8 带UWB陆离层和天线的CAP开发板

3 在控制器软件中实现的无线USB协议

采用UWB-MAC和微控制器的USB主机/设备控制器硬件模块，就可实现无线USB主机或设备。

虽然UWB-MAC和USB-MAC/PHY的第1层和第2层是由硬件实现的，但无线USB协议却可以软件形式在第3层实现。

图9 无线UWB实施方案的层结构模型

同样，也可在采用无线通信的工业自动化设备中实现以太网到UWB的网桥。

结论

UWB技术可以实现较短的传输延迟和高传输速率，且功耗小，电磁辐射低。而且，即便移动电话和WLAN传送器邻近工作，UWB的无线链路也非常牢靠。在这些方面，它优于WLAN链路。

UWB-MAC模块绕过USB接口或无线USB驱动器，因而能够实现延迟短、链路速度快的完整UWB网络。

作者：瑞士苏黎世应用科学大学嵌入式系统研究所 (InES) Han