MT-ZigBee硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

MT-ZigBee硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

0 引 言
??? ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低速率的無線通信技術(shù)，其物理層和媒體訪問控制層協(xié)議為IEEE 802．15．4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)根據(jù)用戶的實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)其進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。
??? 在設(shè)計(jì)開發(fā)ZigBee協(xié)議之前必須要有相應(yīng)硬件平臺(tái)的支撐，這里為ZigBee協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)提供了相應(yīng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。在此主要介紹了MT-ZigBee硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與各硬件模塊的測試。硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括硬件平臺(tái)的選型、ZigBee控制電路的硬件設(shè)計(jì)和ZigBee射頻電路部分的硬件設(shè)計(jì)；硬件平臺(tái)的測試主要包括各個(gè)硬件模塊的測試。

1 ZigBee硬件方案
??? 在ZigBee技術(shù)聯(lián)盟中，F(xiàn)reescale，TI，Chipeon，Philips等公司都是ZigBee標(biāo)準(zhǔn)制訂的先驅(qū)。在射頻收發(fā)芯片方面，主要有Freeseale公司的MC13192，MC13193和Chipeon公司的CC2420，CC2430所提供的兩大解決方案。下面簡單比對(duì)這兩種可選的硬件開發(fā)方案。
??? Freescale公司面向ZigBee技術(shù)推出了完整的硬件解決方案，其中主要包括MC13192，MC13193射頻(Radio Frequenee，RF)收發(fā)芯片；與RF端相配套的低功耗HCS08核MCU；相關(guān)的傳感器等。MC13192，MC13193是符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，它工作在2．4 GHz頻段下，與MCU通過標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI接口通信，采用16個(gè)射頻通道，數(shù)據(jù)速率為250 Kb／s。與HCS08核MCU配套使用，可提供低成本、低功耗、經(jīng)濟(jì)高效的ZigBee硬件平臺(tái)方案。挪威半導(dǎo)體公司Chipcon推出的CC2430射頻芯片是全球首顆符合ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz射頻芯片，它沿用了CC2420的架構(gòu)。CC2430兼容IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，具有8051核的無線單片機(jī)。其在單芯片上集成了ZigBee RF前端、存儲(chǔ)器和微控制器。另外，CC2430內(nèi)部還包含了模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時(shí)器、AES-128協(xié)處理器、看門狗、32 kHz晶振時(shí)鐘、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個(gè)可編程I／O接口。由于Freescale公司提供了詳細(xì)的芯片手冊(cè)、參考設(shè)計(jì)、布線設(shè)計(jì)等文檔說明，為硬件平臺(tái)的搭建提供了良好的開發(fā)環(huán)境。這里在現(xiàn)有的ZigBee硬件方案中選擇了Freescale公司提供的解決方案：MC9S08GB60和MC13192；并以此方案為背景設(shè)計(jì)開發(fā)了MT-ZigBee硬件平臺(tái)。

2 MT-ZigBee硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
??? MT-ZigBee硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，主要包括硬件平臺(tái)的選型，ZigBee控制電路的硬件設(shè)計(jì)和ZigBee射頻電路部分的硬件設(shè)計(jì)。
2．1 硬件選型
??? (1)主控MCU的選取。從芯片內(nèi)部集成功能模塊、RAM和FLASH的存儲(chǔ)容量、芯片和開發(fā)環(huán)境的熟悉程度等方面考慮，本文選擇了Freescale公司生產(chǎn)的S08系列的8位MC9S08GB60(以下簡稱GB60)作為平臺(tái)的主控芯片。HCS08核，最高總線頻率可達(dá)40 MHz；它內(nèi)部具有64 KB的FLASH和4 KB的RAM存儲(chǔ)空間；內(nèi)部集成了1個(gè)SPI模塊，適合與MC13192的通信；2個(gè)SCI模塊，方便與PC通信；具有背景調(diào)試模塊．能利用單線對(duì)HCS08核的系列MCU進(jìn)行方便地寫入和調(diào)試，加快開發(fā)的速度并大大降低了調(diào)試的難度。
??? (2)物理層芯片的選取。為了設(shè)計(jì)出低成本、低功耗、經(jīng)濟(jì)高效的ZigBee硬件平臺(tái)．這里選擇了與HCS08核MCU配套使用的MC13192芯片作為Zig-Bee物理層芯片。MC13192是Freescale公司于2005年推出的工作在2．4 GHz頻率下短距離，低功率，工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器。MC13192與MCU的接口簡單，只需四線的SPI，1個(gè)IRQ中斷請(qǐng)求線和3個(gè)控制線。
2．2 MT-ZigBee硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
??? MT-ZigBee硬件平臺(tái)主要包括主控MCU支撐模塊；外部輸入部分有電源輸入模塊和按鍵輸入；MC13192無線射頻通信模塊；SCI串行通信模塊；運(yùn)行狀態(tài)顯示模塊和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊，整體的硬件框圖如圖1所示。其中按鍵輸入、SCI串行通信模塊、液晶及運(yùn)行指示燈模塊設(shè)計(jì)比較簡單，由于篇幅問題，不再敘述。下面重點(diǎn)介紹電源輸入模塊、MCU支撐模塊、GB60與MC13192接口電路和MC13192無線射頻通信模塊的硬件設(shè)計(jì)。

2．2．1 電源輸入模塊
??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用于采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，再進(jìn)行相應(yīng)控制。設(shè)備均安放在采集現(xiàn)場，考慮到便于攜帶、安裝，供電電源采用1節(jié)9 V的干電池。在硬件電路上電源分為兩路：一路是單獨(dú)供給主控芯片GB60的電源；另一路是供給LCD、MC13192、SCI、按鍵和測試小燈等所有外圍模塊的電源。具體電源電路如圖2所示。

??? 在電源電路中，主控芯片電源在任何情況下都是存在的．這樣保證任何情況下GB60都是工作的；外圍模塊電源受到主控芯片控制，GB60通過MOS管來控制外圍模塊電源：當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，GB60允許外圍模塊電源上電；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)時(shí)，GB60切斷外圍模塊電源．這樣整個(gè)系統(tǒng)只有主控芯片有供電，主控芯片再進(jìn)入低功耗模式(Stop Mode)，這樣就更好地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的低功耗。注意，在切斷外圍模塊電源時(shí)，不能直接使用一般的三極管，這樣進(jìn)入低功耗狀態(tài)后外圍模塊仍然有較大的電流消耗，應(yīng)該使用電流截止性能好的MOS管(如：SI2301)來實(shí)現(xiàn)。
2．2．2 GB60與MC13192接口電路設(shè)計(jì)
??? GB60與MC13192的接口電路如圖3所示。GB60與MC13192主要有9個(gè)連接接口：4根SPI通信接口、IRQ中斷接口、3根MC13192的控制口和MC13192時(shí)鐘輸出引腳。其中對(duì)于4線SPI，根據(jù)參考手冊(cè)指出，當(dāng)作為SPI主機(jī)方式，同時(shí)SPI狀態(tài)與控制寄存器的模式錯(cuò)誤標(biāo)志(MODF)有效并置為1時(shí)，引腳可單獨(dú)作為I／O口使用。在該設(shè)計(jì)中GB60為SPI主機(jī)方，直接作為輸出口使用，用以控制MC13192的CE使能信號(hào)。

G1360對(duì)MC13192上的寄存器、片上RAM讀取和寫入時(shí)都是通過標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI接口來實(shí)現(xiàn)的。通信時(shí)，MC13192只能作為從機(jī)，因此對(duì)于MCU而言，MOSI線是發(fā)送數(shù)據(jù)線，而MISO線是接收數(shù)據(jù)線，SPI的同步時(shí)鐘由GB60在SPSCK管腳上給出，連接到MC13192的SPICLK上。
??? MC13192的IRQ管腳連接到GB60的IRQ管腳上，MC13192上產(chǎn)生的所有中斷事件直接反映給GB60。當(dāng)GB60接收到來自MC13192的外部中斷時(shí)，還要查詢其中斷標(biāo)志寄存器，來判斷產(chǎn)生的中斷事件，并作出相應(yīng)的處理。
??? 在GB60對(duì)MC13192的3個(gè)控制口中，ATTN管腳用于MCU、將MC13192從低功耗模式下喚醒，而RXTXEN管腳則用來使能MC13192的收發(fā)器。在通常情況，為了降低功耗，射頻芯片的收發(fā)器都是關(guān)閉的，只有在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)才使能有效，這樣能大大降低射頻芯片的功耗。當(dāng)射頻芯片工作異常時(shí)，MCU也可以通過RST管腳來硬件復(fù)位MC13192。
??? MC13192的時(shí)鐘輸出引腳CLKO直接與GB60的EXTAL引腳相連接，從而GB60不再需要外部晶振電路的支持，直接采用來自MC13192的時(shí)鐘源即可。該時(shí)鐘源是可編程的，能夠提供8種不同的時(shí)鐘頻率：16 MHz，8 MHz，4 MHz，2 MHz，1 MHz，62．5kHz，32．768 kHz和16．393 kHz。
2．2．3 MC13192無線射頻通信模塊設(shè)計(jì)
??? 射頻電路的設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)中最為復(fù)雜的部分。這一部分對(duì)PCB的材質(zhì)、電阻電容的精度、電路的走線等都有很高的要求，其參數(shù)選擇的好壞直接影響到射頻電路的質(zhì)量。
??? 射頻電路的設(shè)計(jì)是參考Freescale，Microchip等公司給出的參考樣例進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的。
??? (1)MC13192支撐電路的設(shè)計(jì)。MC13192的支撐電路包括電源電路，濾波電路和晶振電路，其邏輯連接如圖4所示。VBATT和VDDINT是電源輸入引腳，MC13192的正常工作電壓為2．0～3．6 V，必須接一個(gè)4．7μF的穩(wěn)壓電容。VDDA，VDDL01和VDDL02為經(jīng)過整流的模擬電壓，必須旁接一個(gè)100 nF的濾波電容。VDD為經(jīng)過內(nèi)部整流的數(shù)字電壓，旁接一個(gè)220 pF的濾波電容。VDDVCO為VCO電路供電，同樣必須旁接一個(gè)220 pF的電容。XTAL1和XTAL2外接16 MHz的專用于2．4 GHz射頻電路的晶振，其旁路電容為1O pF。

??? (2)天線電路的設(shè)計(jì)。用于2．4 GHz射頻電路的天線有3種類型：外接直立天線、PCB天線和片式天線。外接直立天線的性能最好，但體積過大，只能用于對(duì)體積無要求的場合；片式天線采用集成電路來實(shí)現(xiàn)，性能一般，而且很難根據(jù)實(shí)際調(diào)整性能；PCB天線具有體積優(yōu)勢，但是對(duì)設(shè)計(jì)和PCB布線要求高，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)上應(yīng)用最多。
??? 圖5為天線電路的原理圖。RFIN-和RFIN+為接收通道，2個(gè)18 pF的電容過濾掉高頻干擾信號(hào)，而0．5 pF的電容能防止共扼干擾。PAO-和PAO+為發(fā)送通道，這兩個(gè)管腳和VDDA連在一起，給發(fā)送通道提供必要的能量。

3 MIT-ZigBee硬件平臺(tái)的模塊測試
??? 在完成硬件電路設(shè)計(jì)后，必須對(duì)各模塊的硬件電路進(jìn)行測試，以保證硬件電路的可靠性。對(duì)于整塊的硬件電路，應(yīng)該按模塊分別焊接、調(diào)試，并逐模塊調(diào)試通過后再聯(lián)合起來一起調(diào)試。在硬件PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要預(yù)留出一定的測試節(jié)點(diǎn)，以便以后測量使用。
??? MT-ZigBee主要模塊的基本測試流程如下：
??? (1)電源模塊測試。在空的PCB電路板上首先將電源模塊的相關(guān)元器件焊接好，上電后直接利用萬用表測量電源的輸出點(diǎn)，看是否得到要求的電壓值，以保證其他模塊能正常工作。
??? (2)微控制器部分測試。當(dāng)電源模塊工作正常后，就需要測試GB60是否正常工作。對(duì)于MCU的測試主要就是通過BDM燒寫器與GB60通信，看是否能進(jìn)行正常的擦除與寫入操作。若無法正常工作，則首先就應(yīng)該仔細(xì)核對(duì)MCU支撐電路及電阻、電容的值是否正確，特別是晶振電路部分。GB60含有4 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘源，且外圍電路很少，所以比較容易調(diào)試通過。
??? (3)MC13192模塊測試。對(duì)于MC13192射頻模塊的測試，主要是通過讀寫其內(nèi)部的寄存器和緩沖區(qū)來進(jìn)行測試的。
??? (4)其他外圍模塊測試。串行通信(SCI)是通過PC實(shí)現(xiàn)基本的收發(fā)；測試小燈模塊，主要通過MCU將相應(yīng)的I／O口置不同的值，看是否能點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的小燈；測試液晶LCD模塊，看是否在液晶上顯示指定的字符。

4 結(jié) 語
??? 這里主要為ZigBee協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)提供了相應(yīng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。在MT-ZigBee平臺(tái)硬件芯片選型的基礎(chǔ)上，給出硬件平臺(tái)的整體框架，闡述了硬件平臺(tái)電源電路、GB60與MC13192接口電路和MC13192射頻模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。最后，還對(duì)MT-ZigBee硬件平臺(tái)進(jìn)行了各個(gè)模塊的測試。由于篇幅有限，實(shí)現(xiàn)ZigBee技術(shù)相關(guān)的底層協(xié)議棧設(shè)計(jì)和具體驗(yàn)證協(xié)議?？捎眯缘膽?yīng)用實(shí)例在此中沒有介紹。