基于MCl322x的ZigBee應(yīng)用技術(shù)

1 引言
    目前眾多的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，ZigBee技術(shù)作為一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域以及科研開發(fā)中得到了關(guān)注和使用，顯示出其強(qiáng)勁的應(yīng)用勢(shì)頭。ZigBee是一種低功耗、短距離和低速的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以工作在2．4 GHz周際免執(zhí)照的頻率，在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中，它和無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙同屬802家族中的無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)．ZigBee由兩部分組成，物理和鏈路層符合IEEE802．15．4，網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層符合ZigBee聯(lián)盟的規(guī)范。ZigBee聯(lián)盟是在2002年成立的非盈利組織，包括TI、霍尼威爾、華為在內(nèi)兩百多家成員。ZigBee聯(lián)盟致力于推廣兼容802．15．4和ZigBee協(xié)議平臺(tái)，制定網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用架構(gòu)的公共規(guī)范，希望在樓宇自動(dòng)化、居家控制、家用電器、工業(yè)自動(dòng)控制和電腦外設(shè)等方面普及ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。常規(guī)的ZigBee無線控制應(yīng)用通常需要一個(gè)微控制器和一個(gè)符合ZigBee-規(guī)范的無線收發(fā)器來協(xié)助完成目標(biāo)應(yīng)用，它們是分離的，電路連接復(fù)雜，元器件繁多，使得整個(gè)無線系統(tǒng)無法達(dá)到現(xiàn)代控制應(yīng)用的嵌入式、微型化和片上性要求。

2 ZigBee技術(shù)的集成化發(fā)展
    為改進(jìn)傳統(tǒng)無線技術(shù)的應(yīng)用，越來越多的無線網(wǎng)絡(luò)器件和無線網(wǎng)絡(luò)解決方案在向集成SoC(System on chip)方向發(fā)展，目標(biāo)就是片上集成高性能微控制器和無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器．形成了一種單芯片無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)或無線單片機(jī)的新型解決方案。目前，先進(jìn)的SoC技術(shù)正在無線應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。德州儀器的CC2430是市場(chǎng)上首款SoC的ZigBee單片機(jī)，它把協(xié)議棧Z-Stack集成在其內(nèi)部的Flash里面，具有穩(wěn)定可靠的CC2420收發(fā)器、增強(qiáng)性的8051內(nèi)核、8 K RAM，外設(shè)有I／O接口、A／D轉(zhuǎn)換器、SPI、UART和AESl28安全協(xié)處理器，3個(gè)版本分別是32 K／64 K／128 K的Flash。以128 K為例，除了基本Z—Stack協(xié)議，還有3／4的空間留給應(yīng)用代碼，將完整的ZigBee協(xié)議和近1／2的空間留給應(yīng)用代碼，這樣的無線單片機(jī)除了處理通訊協(xié)議外，還可完成一些監(jiān)控和顯示任務(wù)，而且支持通過SPI或UART接口與通用單片機(jī)或嵌入式CPU連接。CC2480新一代單片ZibBee認(rèn)證處理器就展示出和TI MSP430通用的低功耗單片機(jī)相結(jié)合的完美性能。
    Freescale的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品同樣是向更高集成度的片上系統(tǒng)發(fā)展。作為ZigBee技術(shù)的創(chuàng)立者之一，F(xiàn)reescale在這一領(lǐng)域以完整地ZigBee平臺(tái)方案在業(yè)界領(lǐng)先。此前，F(xiàn)reescale ZigBee產(chǎn)品和解決方案MCl319x已獲得巨大成功和廣泛應(yīng)用，可滿足各種應(yīng)用需求，但必須與一個(gè)微控制器配合使用；后來的MCl32lx系列器件是基于MCl319x系列的第二代產(chǎn)品(2006年)，但已集成了HCS08微控制器核心，體現(xiàn)了ZigBee技術(shù)高集成度的SoC特性。MCl322x系列是Freescale最新推出的ZigBee解決方案。
    Freescale MCl322x系列是第三代ZigBee產(chǎn)品，采用乎臺(tái)級(jí)封裝PiP技術(shù)(PiP，Platform in Package)，MCl322x不僅集成有ZigBee無線收發(fā)器和高性能微控制器MCU與一體，更令人矚目的是，PiP技術(shù)是更全面的SoC集成，比如內(nèi)部集成了RF匹配組件、不平衡變壓器，RF連接減少到只需晶體和天線。MCl322x同樣符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品系列，它保持了卓越的射頻性能和整合的應(yīng)用設(shè)計(jì)架構(gòu)，減少了外部組件，也減少了材料清單和總開發(fā)成本，是高密度低元件數(shù)無線應(yīng)用的綜合解決方案。應(yīng)用此類ZigBee平臺(tái)，只需簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，無需考慮射頻部分布線問題，還可自行開發(fā)軟件平臺(tái)。

3 Freescale MCl322x組成原理
    Freescale的MCl322x系列器件的尺寸僅為9．5 mmx 9．5mm×1.2 mm，采用99引腳LGA封裝，內(nèi)部集成有完整的低功耗2.4 GHz無線收發(fā)器和基于32位ARM7 CPU核的MCU。目前MCl322x系列共有MCl3224和MCl3225 2個(gè)版本。圖1給出MCl322x組成原理框圖。其中符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器(IEEE 802．15.4收發(fā)器)工作在2．4 GHz ISM頻段，16個(gè)可選頻道；收發(fā)器包括低噪音放大器、l mW輸出功率、帶VCC)的功率放大器(PA)、集成的發(fā)送／接收(Tx／Rx)開關(guān)、不平衡變壓器(Balun)、板內(nèi)的電源穩(wěn)壓器、擴(kuò)展調(diào)制／解調(diào)器、IEEE802．15．4 MAC硬件加速器和AES安全加密模塊等。其與MCU內(nèi)聯(lián)，通過MCU進(jìn)行控制管理。

    MCl322x內(nèi)嵌微控制器(MCU)基于ARM7 TDMI—S 32位CPU，具有強(qiáng)大的處理能力，MCU典型工作頻率為24MHz，最高可到26 MHz。存儲(chǔ)能力也有加強(qiáng)，MCU可自帶128 KB Flash、96 KB SRAM和80 KB ROM，這樣的存儲(chǔ)空間足夠支持未裁剪的ZigBee協(xié)議棧所需的32 KB存儲(chǔ)空間以及其他復(fù)雜程序。內(nèi)置的外設(shè)組件有8通道12位雙A／D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、PWM、SCI、SPI、I2C、I2S以及多達(dá)64個(gè)GPIO端口?？梢钥闯觯琈Cl322x在單個(gè)芯片上整合了眾多功能元件和無線匹配網(wǎng)絡(luò)器件，體現(xiàn)了其極高集成度的SoC特性。

4 MCl322x的無線應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4．1 應(yīng)用構(gòu)建
    同以往的ZigBee應(yīng)用一樣，MCl322x系列平臺(tái)毋庸置疑地能夠繼續(xù)提供各種ZigBee無線連接支持，其應(yīng)用范圍包括：住宅和商業(yè)自動(dòng)化，工業(yè)控制，消費(fèi)電子，安全監(jiān)控，照明控制，安全訪問控制，暖通控制，空調(diào)系統(tǒng)，目動(dòng)抄表系統(tǒng)，資產(chǎn)跟蹤和監(jiān)控，國土安全，過程管理，環(huán)境監(jiān)測(cè)，健康護(hù)理，病人監(jiān)護(hù)儀，健身監(jiān)測(cè)，士兵聯(lián)絡(luò)，人機(jī)接口設(shè)備，遠(yuǎn)程控制，無線玩具等領(lǐng)域。
    基j*\IC1322x構(gòu)建的無線連接拓?fù)?，可以設(shè)計(jì)成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接、星型連接、簇狀連接和網(wǎng)狀連接等，如圖2所示。不同的應(yīng)用可以選擇不同的ZigBee無線連接結(jié)構(gòu)和覆蓋方案。比如家庭空調(diào)遙控器可使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)可選擇簇狀連接，森林防火監(jiān)控系統(tǒng)可采用星型連接，小區(qū)集抄系統(tǒng)則使用網(wǎng)狀連接。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點(diǎn)，根據(jù)應(yīng)用情況安排中心節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)也可設(shè)定為單向發(fā)送、單向接收或雙向通信。通常，這種ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)還要通過中心節(jié)點(diǎn)與其他對(duì)象如PC主機(jī)、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以便完善高級(jí)控制管理應(yīng)用。

    從應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建的復(fù)雜度、尺寸和元件數(shù)看，小體積封裝中的無線收發(fā)器和微控制器的組合首先簡(jiǎn)化硬件電路，加之MCl322x直接集成有RF匹配組件、不平衡變壓器等，使所用外圍元件更少，進(jìn)而可使電路板做到更小、可靠性更高。圖3給出模塊版圖比較，圖3(a)為原來使用雙器件(MCl319x+MCU)的基礎(chǔ)電路模塊版圖，圖3(b)為第二代MCl31 9x基礎(chǔ)電路模塊版圖，圖3(e)為最新MCl322x基礎(chǔ)電路模塊版圖，尺寸更小。實(shí)際上，圖中使用MCl322x的電路板尺寸僅為11O mm2，RF所用外部組件只需外接晶體和天線。硬件設(shè)計(jì)異常簡(jiǎn)單，所以，有關(guān)RF的知識(shí)和難點(diǎn)可不予關(guān)注。

    (1)降低了無線應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建成本MCl3224的價(jià)格比第一代的MCl3192還要廉價(jià)，且不用另配MCU；加上必須的少量外圍元器件，最終使用MCl322x構(gòu)建的無線通信基本模塊的成本極低的，是成本敏感應(yīng)用的最佳解決方案。
    (2)降低了無線應(yīng)用系統(tǒng)的能源消耗MCl322x的ZigBee技術(shù)是低電壓、低功耗，MCU運(yùn)行時(shí)的收發(fā)電流不足20mA，可使用一塊紐扣電池或于電池，且電池壽命不再是問題，因?yàn)閘節(jié)電池可使ZigBee器件運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)20年。
    另外，MCl322x直接集成應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)越的ARM微處理器及其豐富的附屬資源，為追求更低消耗、更多功能、更高要求應(yīng)用產(chǎn)品的軟、硬件開發(fā)提供了方便。
    緣于上述多方位的構(gòu)建優(yōu)勢(shì)，具有先進(jìn)、高效集成特性的Freescalge MCl322x系列器件是構(gòu)建ZigBee，無線應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
4．2 硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)
    高集成度的MCl322x器件，使得無線應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)變得極為精簡(jiǎn)，圖4給出設(shè)計(jì)的無線應(yīng)用基礎(chǔ)硬件電路。圖中電源部分使用3．6 V干電池供電；JTAG接口負(fù)責(zé)完成在線調(diào)試和程序下載；晶振電路需要兩個(gè)晶體Xl、X2；RF無線發(fā)射／接收電路采用板上F型天線．發(fā)射與接收的切換通過MCU控制TX／RX開關(guān)來實(shí)現(xiàn)；開關(guān)SWl和發(fā)光管LED為簡(jiǎn)單人機(jī)交互手段；外來傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)可傳輸至GPIO端口；還有一些引腳需要接地或懸空。在該電路的基礎(chǔ)上可擴(kuò)展眾多實(shí)際應(yīng)用電路，如鍵盤輸入、LCD液晶顯示輸出、A／D轉(zhuǎn)換等，其中MCU微處理器部分的擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)已屬于成熟技術(shù)，不再贅述。
    基于MCl322x器件，ZigBee應(yīng)用軟件的開發(fā)主要是消化、修改并植入兼容ZigBee協(xié)議的Freescale BeeStack協(xié)議棧，這是個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。Freescale的BeeKit無線連接工具箱，為客戶提供了簡(jiǎn)單的軟件開發(fā)流程，為了提高研制周期和開發(fā)效率，這里直接使用BeeKit集成開發(fā)環(huán)境。BeeKit是Freescale公司用于生成無線通信網(wǎng)絡(luò)框架的一個(gè)工具，含有無線聯(lián)網(wǎng)庫、應(yīng)用模板和樣本應(yīng)用的綜合代碼庫。它提供了簡(jiǎn)便易用的接口和框架，可幫助開發(fā)人員為ZigBee應(yīng)用創(chuàng)建、修改、配置參數(shù)，然后導(dǎo)出目標(biāo)方案并導(dǎo)入到CodeWarriorIDE，最終下載到MCl322x。

5 結(jié)語
    在分析討論現(xiàn)有ZigBee技術(shù)集成化發(fā)展的基礎(chǔ)上，引入Freescale公司的高集成度、高性能的MCl322x系列第三代ZigBee平臺(tái)，介紹基于MCl322x的ZigBee無線系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)和應(yīng)用方法。實(shí)現(xiàn)了基于MCl322x，再加上很少的一些連接線和硬件資源，構(gòu)建出符合ZigBee規(guī)范的無線控制器節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，這種無線控制器具有功耗低、外圍器件少、尺寸小、成本低、性能高的特點(diǎn)，是無線控制應(yīng)用的一種精簡(jiǎn)解決方案。