一種WPAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方案

IEEE 802.15.4—2003協(xié)議共規(guī)定了27個(gè)通信信道：868 MHz有1個(gè)，速率為20 kbps;915 MHz有l(wèi)O個(gè)，速率為40 kbps;2.45 GHz有16個(gè)，速率為250 khps。支持星形、樹形和網(wǎng)狀3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照功能劃分網(wǎng)絡(luò)中有完全功能(FFD)和簡(jiǎn)化功能(RFD)兩種不同類型的設(shè)備。為了簡(jiǎn)化協(xié)議，IEE： E 802.15.4—2003滿足OSI參考模型，規(guī)定了物理層和MAC層，每一層完成自身所規(guī)定的任務(wù)，并向上層提供服務(wù)任務(wù)接口。協(xié)議中數(shù)據(jù)通信方式可分為直接數(shù)據(jù)傳送和間接數(shù)據(jù)傳送兩種，并且以數(shù)據(jù)幀的形式打包發(fā)送出去。網(wǎng)絡(luò)可以在超幀和非超幀的模式下工作，為了提高其可靠性采用了CSMA/CA的媒質(zhì)訪問控制機(jī)制、確認(rèn)幀的應(yīng)答方式和CRC-16 ITU的校驗(yàn)機(jī)制，并可以加入一些數(shù)據(jù)加密和安全控制模式。出于低功耗、低成本考慮，物理層只有14條服務(wù)原語，MAC層有35條原語。與藍(lán)牙相比，這些原語只是它的1/3。

　　1 硬件電路設(shè)計(jì)

　　一般情況下IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基本構(gòu)成如圖l所示。系統(tǒng)的電源通常由電池提供，也可以由穩(wěn)壓模塊供給。RF收發(fā)芯片負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的產(chǎn)生和接收解調(diào)，其基準(zhǔn)時(shí)鐘由外部高精度的晶體振蕩器提供;同時(shí)要實(shí)現(xiàn)一些物理層和MAC層的基本功能，例如編解碼、信道選擇、功率控制、接收機(jī)能量檢測(cè)(RSSI)、鏈路質(zhì)量指示(LQI)、空閑信道評(píng)估(CCA)和硬件CRC校驗(yàn)等。在實(shí)現(xiàn)這些基本功能的前提下，RF芯片應(yīng)該盡量做到低功耗、高靈敏度和較小封裝。微控制器要有豐富的資源來完成對(duì)RF芯片的控制，以及對(duì)傳感器、各類應(yīng)用接口和用戶接口的實(shí)時(shí)響應(yīng)。通常協(xié)議棧需要占用32 KB左右的存儲(chǔ)空間。
 

　　1.1 AT86RF230性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　Atmcl公司的AT86RF230是與ZigBee/IEEE802.15.4兼容的無線射頻收發(fā)芯片。它工作在2.4 GHz ISM頻段，擁有104dB鏈路預(yù)算，-101 dB的接收靈敏度和3 dB的傳輸功率，從而減少網(wǎng)絡(luò)中所需節(jié)點(diǎn)設(shè)備的總數(shù)，大大降低了IEEE 802.15.4系統(tǒng)的組網(wǎng)成本。所有RF關(guān)鍵器件(除了天線、晶振、去耦電容外)都集成在一塊芯片中，封裝形式采用32引腳、5 mm×5mm×0.9mm大小的QFN封裝。由該芯片所構(gòu)成的設(shè)備僅需6個(gè)外部組件，功能框圖如圖2所示。終端節(jié)點(diǎn)通常是電池供電，發(fā)射模式下電流消耗為 17 mA，接收模式下為15 mA，睡眠模式下僅為O.7μA;工作電壓可達(dá)1.8～3.6V，內(nèi)部有集成的1.8V LDO。AT86RF230內(nèi)部有35個(gè)可以通過SPI控制時(shí)序訪問的8位寄存器，工作時(shí)有8個(gè)基本狀態(tài)(可以根據(jù)需要擴(kuò)展為14個(gè))。片內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的緩沖分別為129字節(jié)和130字節(jié)，正好可以滿足IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)定的最大幀長(zhǎng)度127字節(jié)的要求。發(fā)送時(shí)需要加2字節(jié)的 CRCl6校驗(yàn)碼，接收時(shí)還要多加1字節(jié)的鏈路質(zhì)量指示。

　　1.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件電路構(gòu)成

　　硬件主要部分原理圖如圖3所示，模塊的數(shù)字接口為ATmega128l與 AT86RF230之間的SPI接口以及其他4條控制線。AT-megal28l是Atmel公司的8位高性能的AVR單片機(jī)。其基本特征有：采用 RISC構(gòu)架，具有135條指令，工作在16MHz時(shí)吞吐率可達(dá)16MIPS;片內(nèi)具有128 KB Flash、4 KB片內(nèi)E2PROM和8 KB SRAM，可以通過ISP或JTAG下載程序;工作頻率最高可達(dá)16 MHz，工作電壓為l.8～5.5V，掉電模式下只有O.1μA的工作電流。在本設(shè)計(jì)中ATmegal281工作于內(nèi)部為8 MHz的振蕩頻率下。如果要采用與AT86RF230同步的外部時(shí)鐘信號(hào)，那么CLKM引腳應(yīng)接到ATmegal281的XTAL1腳上，并且熔絲位要設(shè)置為外部時(shí)鐘。AT86RF230的各種工作狀態(tài)中斷信號(hào)由IRQ腳控制，這里接到ATmegal28l的ICPl腳產(chǎn)生捕獲中斷，因?yàn)椴东@中斷可通過設(shè)置噪聲消除方式來減少外界的干擾，從而提高中斷的可靠性。有關(guān)AT86RF230寄存器SPI讀 寫時(shí)序、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖及各種中斷控制的具體方法可以參閱參考文獻(xiàn)。還需注意，AT86RF230所接外部晶振X1的長(zhǎng)期工作頻率穩(wěn)定度要小于等于40 ppm，并根據(jù)晶振和芯片的驅(qū)動(dòng)能力選擇合適的負(fù)載電容。