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)的硬件平臺設(shè)計(jì),。在此主要介紹了MT- ZigBee硬件平臺的設(shè)計(jì)與各硬件模塊的測試,。硬件平臺的設(shè)計(jì)主要包括硬件平臺的選型、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),；硬件平臺的測試主要包括各個硬件模塊的測試,。

　　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" title="Freeseale">Freeseale公司的MC13192" title="MC13192">MC13192，MC13193和Chipeon公" title="Chipeon公">Chipeon公司的CC2420" title="CC2420">CC2420,，CC2430所提供的兩大解決方案,。下面簡單比對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)、定時器,、AES-128協(xié)處理器,、看門狗、32 kHz晶振時鐘,、上電復(fù)位電路,、掉電檢測電路以及21個可編程I／O接口。由于Freescale公司提供了詳細(xì)的芯片手冊,、參考設(shè)計(jì),、布線設(shè)計(jì)等文檔說明，為硬件平臺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" title="MT-ZigBee">MT-ZigBee硬件平臺。

　　2 MT-ZigBee硬件平臺設(shè)計(jì)

　　MT-ZigBee硬件平臺的設(shè)計(jì),，主要包括硬件平臺的選型,，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存儲空間,；內(nèi)部集成了1個SPI模塊，適合與MC13192的通信,；2個SCI模塊,，方便與PC通信；具有背景調(diào)試模塊．能利用單線對 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．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IRQ中斷請求線和3個控制線。

　　2．2 MT-ZigBee硬件平臺設(shè)計(jì)

　　MT-ZigBee硬件平臺主要包括主控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，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,，GB60切斷外圍模塊電源．這樣整個系統(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)了整個系統(tǒng)的低功耗,。注意,，在切斷外圍模塊電源時，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時鐘輸出引腳,。其中對于4線SPI，根據(jù)參考手冊指出,，當(dāng)作為SPI主機(jī)方式,，同時SPI狀態(tài)與控制寄存器的模式錯誤標(biāo)志 (MODF)有效并置為1時，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,。

　　G1360對MC13192上的寄存器,、片上RAM讀取和寫入時都是通過標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI接口來實(shí)現(xiàn)的。通信時,，MC13192只能作為從機(jī),，因此對于 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,，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MC13192的3個控制口中,，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,，MCU也可以通過RST管腳來硬件復(fù)位MC13192,。

　　MC13192的時鐘輸出引腳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的時鐘源即可,。該時鐘源是可編程的，能夠提供8種不同的時鐘頻率：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220 pF的濾波電容,。VDDVCO為VCO電路供電，同樣必須旁接一個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18 pF的電容過濾掉高頻干擾信號，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硬件平臺的模塊測試

　　在完成硬件電路設(shè)計(jì)后,，必須對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)的硬件平臺設(shè)計(jì),。在MT-ZigBee平臺硬件芯片選型的基礎(chǔ)上,，給出硬件平臺的整體框架，闡述了硬件平臺電源電路,、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MT-ZigBee硬件平臺進(jìn)行了各個模塊的測試,。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)議棧可用性的應(yīng)用實(shí)例在此中沒有介紹,。