mt-ZigBee硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)0引文IEEE技術(shù)是具有集成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短、低速率無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其中物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層協(xié)議為IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層是由IEEE技術(shù)聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的，應(yīng)用層是根據(jù)用戶(hù)的實(shí)際應(yīng)用要求開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的。在ZigBee協(xié)議設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)之前，必須有適當(dāng)?shù)挠布脚_(tái)支持，在此為ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)提供適當(dāng)?shù)挠布脚_(tái)設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)介紹了mt-ZigBee硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和每個(gè)硬件模塊的測(cè)試。硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括硬件平臺(tái)選擇、ZigBee控制電路的硬件設(shè)計(jì)和ZigBee RF電路部分的硬件設(shè)計(jì)。硬件平臺(tái)測(cè)試主要包括對(duì)每個(gè)硬件模塊的測(cè)試。1 ZigBee硬件方案在ZigBee技術(shù)聯(lián)盟中，F(xiàn)reescale、TI、Chipeon、Philips等都是ZigBee標(biāo)準(zhǔn)制定的先驅(qū)。射頻傳輸和接收芯片領(lǐng)域主要有兩種主要解決方案，freesealement的MC13192MC13192、MC13193和Chipeon public Chipeon的CC2420CC2420和CC2430。下面簡(jiǎn)單地比較了這兩種可選硬件開(kāi)發(fā)方案。Freescale展示了針對(duì)ZigBee技術(shù)的完整硬件解決方案，包括MC13192和MC13193 RF (Radio Frequenee ee，RF)傳輸和接收芯片。與RF端兼容的低功耗HCS08核心MCU；相關(guān)傳感器等。MC13192、MC13193是符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的RF數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，在2.4ghz頻帶中工作，通過(guò)MCU和標(biāo)準(zhǔn)4線(xiàn)SPI接口通信，使用16個(gè)RF通道，數(shù)據(jù)速率為250 kb/秒。與HCS08核心MCU一起使用，可提供低成本、低功耗、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的ZigBee硬件平臺(tái)解決方案。挪威半導(dǎo)體公司Chipcon推出的CC2430 RF芯片是世界上第一個(gè)符合ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的2.4ghz RF芯片，它繼承了CC2420的體系結(jié)構(gòu)。CC2430相容于含8051核心的無(wú)線(xiàn)微控制器IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。在單個(gè)芯片上配置ZigBee RF前端、內(nèi)存和微控制器。CC2430還內(nèi)置模式/編號(hào)轉(zhuǎn)換器(ADC)、計(jì)時(shí)器、AES-128協(xié)處理器、監(jiān)視塢、32 kHz晶體時(shí)鐘、電源重置電路、斷電檢測(cè)電路和21個(gè)可編程I/o接口。Freescale公司提供詳細(xì)的芯片文檔、參考設(shè)計(jì)、布線(xiàn)設(shè)計(jì)等文檔指導(dǎo)，為構(gòu)建硬件平臺(tái)提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。在現(xiàn)有的ZigBee硬件解決方案中，F(xiàn)reescale提供的解決方案MC9S08GB60和MC13192已選擇。以此方案為背景，開(kāi)發(fā)了mt-ZigBee 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)選擇、ZigBee控制電路的硬件設(shè)計(jì)和ZigBee RF電路部分的硬件設(shè)計(jì)。2.1選擇硬件(1)選擇主MCU。本文考慮到芯片內(nèi)部集成功能模塊、RAM和FLASH的存儲(chǔ)容量、芯片和開(kāi)發(fā)環(huán)境的熟悉程度，選擇了Freescale生產(chǎn)的S08系列8位MC9S08GB60(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB60)作為平臺(tái)的主芯片。HCS08核心，最高匯流排頻率40mhz內(nèi)部有64 KB的閃存和4 KB的FLASH存儲(chǔ)空間。內(nèi)部集成了一個(gè)SPI模塊，適用于與MC13192的通信。兩個(gè)SCI模塊，便于與PC通信；背景除錯(cuò)模組。HCS08內(nèi)核的系列MCU易于單線(xiàn)寫(xiě)入和調(diào)試，從而加快開(kāi)發(fā)速度，大大減少調(diào)試?yán)щy。(2)選擇物理層芯片。為了設(shè)計(jì)低成本、低功耗、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的ZigBee硬件平臺(tái)，我們選擇了MC13192芯片作為與HCS08核心MCU配合使用的ZigBee物理層芯片。MC13192是Freescale于2005年推出的工作中，適用于短距離、低功率、工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)器。MC13192和MCU的接口很簡(jiǎn)單，只有4行SPI、1個(gè)IRQ中斷請(qǐng)求行和3條控制線(xiàn)。2.2 mt-ZigBee硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)mt-ZigBee硬件平臺(tái)主要包含主控制MCU支持模塊。外部輸入部分包括電源輸入模塊和鍵擊。MC13192射頻通信模塊；SCI串行通信模塊；操作狀態(tài)顯示模塊和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集模塊，完整的硬件方框圖。鍵擊、SCI串行通信模塊、液晶屏和活動(dòng)指示燈模塊因地面問(wèn)題不再進(jìn)行說(shuō)明。下面重點(diǎn)介紹電源輸入模塊、MCU支持模塊、GB60和MC13192接口電路以及MC13192無(wú)線(xiàn)RF通信模塊的硬件設(shè)計(jì)。2.2.1電源輸入模塊無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用于收集和適當(dāng)控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。設(shè)備都安排在提貨現(xiàn)場(chǎng)，考慮到便于搬運(yùn)、安裝，電源使用第1節(jié)9 V電池。在硬件電路中，電源分為兩種方式：一個(gè)是單獨(dú)提供給主機(jī)芯片GB60的電源。另一種方法是為所有外圍模塊(液晶屏、MC13192、SCI、鍵入和測(cè)試小燈泡)供電。特定電源電路。在電源電路中，主芯片電源在任何情況下都存在。因此，GB60可以在任何情況下工作；外圍模塊電源由主控制芯片控制，GB60通過(guò)MOS管控制外圍模塊電源。GB60允許在系統(tǒng)正常工作時(shí)打開(kāi)外圍模塊電源。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)時(shí)，GB60將切斷外圍模塊的電源。這將進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的低功耗，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)僅向主控制芯片供電，主控制芯片將再次進(jìn)入低功耗模式。不能直接使用常規(guī)晶體管(例如SI2301)來(lái)切斷周?chē)K的電源，因此進(jìn)入低功耗狀態(tài)后，周?chē)K仍會(huì)消耗大量電流，因此應(yīng)使用具有良好電流切斷性能的MOS管(例如si 2301)。2.2.2gb60和MC13192接口電路設(shè)計(jì)GB60和MC13192接口電路。GB60和MC13192具有9個(gè)連接接口，主要包括4個(gè)SPI通信接口、IRQ中斷接口、3個(gè)MC13192控制端口和MC13192時(shí)鐘輸出針。其中，對(duì)于4線(xiàn)SPI，根據(jù)參考手冊(cè)，如果SPI狀態(tài)與控制寄存器的模式錯(cuò)誤標(biāo)記(MODF)有效，并且設(shè)置為1，則插針只能單獨(dú)用作I/o端口。在此設(shè)計(jì)中，GB60是SPI主機(jī)，直接用作輸出端口以控制MC13192的CE激活信號(hào)。G1360通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)4線(xiàn)SPI接口在MC13192的寄存器、片上RAM讀寫(xiě)中實(shí)現(xiàn)。通信時(shí)，MC13192只能作為發(fā)送器工作，因此對(duì)于MCU，MOSI線(xiàn)是發(fā)送電纜，MISO線(xiàn)是接收電纜，SPI上的同步時(shí)鐘將GB60連接到SPSCK針腳，MC13192上的SPICLK。MC13192的IRQ針腳連接到GB60的IRQ針腳，MC13192發(fā)生的所有中斷事件直接反映在GB60上。當(dāng)GB60從MC13192接收到外部中斷時(shí)，查詢(xún)中斷標(biāo)志寄存器以確定生成的中斷事件，并正確處理。在GB60到MC13192的3個(gè)控制端口中，ATTN針用于MCU，MC13192從低功耗模式喚醒，RXTXEN針用于支持MC13192的收發(fā)器。通常，為了降低功耗，RF芯片上的收發(fā)器全部關(guān)閉，僅在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)有效，從而顯著降低RF芯片上的功耗。MCU還可以通過(guò)RST針腳對(duì)MC13192進(jìn)行硬件重置，前提是RF芯片工作異常。MC13192的時(shí)鐘輸出針腳CLKO直接連接到GB60的EXTAL針腳，因此GB60不需要外部晶體電路的支持，直接采用MC13192的時(shí)間源即可。此時(shí)鐘源可編程，可提供8種時(shí)鐘頻率：16 MHz、8 MHz、4 MHz、2 MHz、62.5kHz、32.768 kHz、16.393 kHz。2.2.3 MC13192無(wú)線(xiàn)射頻通信模塊設(shè)計(jì)Rf電路的設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的部分。這部分對(duì)PCB的材料、電阻電容器的準(zhǔn)確度、電路的行駛線(xiàn)路等要求高，其參數(shù)選擇直接影響RF電路的質(zhì)量。Rf電路旨在參考Freescale、Microchip等提供的參考范例，以進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。(1)MC13192支持的電路設(shè)計(jì)。MC13192的支持電路具有電源電路、濾波電路和晶體電路的邏輯連接。VBATT和VDDINT是電源輸入針腳，MC13192的正常工作電壓為2.0至3.6 v，必須連接4.7 f的穩(wěn)壓器。VDDA、VDDL01和VDDL02是整流模擬電壓，100 nF的濾波器電容器必須在旁邊。VDD是經(jīng)過(guò)內(nèi)部整流的數(shù)字電壓，旁邊有220 pF的過(guò)濾電容器。VDDVCO為VCO電路供電，220 pF的電容必須在旁邊。XTAL1和XTAL2外部16 MHz是2.4ghz RF電路的專(zhuān)用結(jié)晶，具有1O pF的旁路電容。(2)天線(xiàn)電路設(shè)計(jì)。2.4ghz RF電路的天線(xiàn)有三種類(lèi)型：外部直立天線(xiàn)、PCB天線(xiàn)和芯片天線(xiàn)。外部直立天線(xiàn)的性能最佳，但只有在尺寸太大，對(duì)體積沒(méi)有要求的情況下才應(yīng)使用。芯片天線(xiàn)使用集成電路實(shí)現(xiàn)，性能一般，難以根據(jù)實(shí)際性能調(diào)整性能。PCB天線(xiàn)具有體積大的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)設(shè)計(jì)和PCB布線(xiàn)的要求較高，最常用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)。圖5是天線(xiàn)電路的結(jié)構(gòu)圖。RFIN-和RFIN是接收信道，兩個(gè)18 pF的電容器過(guò)濾高頻干擾信號(hào)，0.5pf的電容防止空位干擾。PAO-和PAO是兩個(gè)腳和VDDA連接在一起的發(fā)射通道，以提供發(fā)射通道所需的能量。3 MIT-ZigBee硬件平臺(tái)模塊測(cè)試硬件電路設(shè)計(jì)完成后，必須測(cè)試每個(gè)模塊的硬件電路，以確保硬件電路的可靠性。對(duì)于整個(gè)硬件電路，必須逐個(gè)焊接、調(diào)試和按模塊調(diào)試，然后一起調(diào)試。硬件PCB設(shè)計(jì)需要預(yù)留特定的測(cè)試節(jié)點(diǎn)，以便以后測(cè)量使用情況。mt-ZigBee主要模塊的基本測(cè)試過(guò)程如下：(1)測(cè)試電源模塊。先在空白PCB板上焊接電源模塊的相關(guān)組件，通電后使用萬(wàn)用表直接測(cè)量電源的輸出點(diǎn)，以確保其他模塊工作正常所需的電壓值。(2)單片機(jī)部分測(cè)試。如果電源模塊工作正常，則必須測(cè)試GB60是否工作正常。MCU的測(cè)試主要是通過(guò)BDM刻錄機(jī)與GB60通信，以確保正常擦除和寫(xiě)入操作。如果不能正常工作，則應(yīng)仔細(xì)檢查MCU支持電路和電阻、電容的值是否正確，尤其是確定電路的各個(gè)部分。GB60包含4 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘源，周?chē)娐份^少，因此調(diào)試更容易。(3)測(cè)試MC13192模塊。MC13192 RF模塊測(cè)試主要通過(guò)讀取和寫(xiě)入內(nèi)部寄存器和緩沖區(qū)來(lái)完成。(4)測(cè)試其他外圍模塊。串行通信(SCI)是通過(guò)PC的默認(rèn)發(fā)送和接收。測(cè)試小燈泡模塊，通過(guò)MCU將相應(yīng)的I/o端口設(shè)置為不同的值，以查看相應(yīng)的小指示燈是否