集成ZigBee無線電設(shè)計(jì)、檢定和驗(yàn)證

受全球變暖和能源價(jià)格上升的影響，市場對智能化、基于無線電控制的設(shè)備的需求快速增長，這些裝置可用于監(jiān)測、控制、傳訊以及自動(dòng)化能源和其他資源的輸送。不過這只是基于物理層無線電標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.15.4技術(shù)的許多應(yīng)用之一。
雖然有許多相互競爭的基于該物理層的協(xié)議，但這方面目前的全球領(lǐng)導(dǎo)者是ZigBee組織，該組織發(fā)布了涵蓋從家庭自動(dòng)化和智能能源到零售和電信服務(wù)，再到遠(yuǎn)程控制和輸入裝置等所有領(lǐng)域的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee協(xié)議提供了一個(gè)網(wǎng)狀設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，支持覆蓋大面積區(qū)域和數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)設(shè)備的通信。如果采用一致的實(shí)現(xiàn)方式，那么來自不同來源的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備就能無縫地相互通信。
如你所想，圍繞通常帶有天線并得到FCC或其他地區(qū)機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的裸集成電路和模塊已形成了一個(gè)充滿活力的行業(yè)。嵌入式產(chǎn)品只能與采用IEEE 802.15.4低層協(xié)議的無線電電路一起提供，并需要獨(dú)立的微控制器或微處理器來處理ZigBee軟件及應(yīng)用。市場上有些集成電路和模塊內(nèi)建用于運(yùn)行ZigBee或其他協(xié)議軟件的微控制器。這些集成電路和模塊中有許多都具有未確定用途的I/O引腳，所以完整產(chǎn)品可能需要內(nèi)容更少一些的模塊和傳感器和/執(zhí)行器以及一個(gè)外殼。此外，這些模塊可附帶功率放大器和接收器低噪聲放大器（LNA）。功率放大器和低噪聲放大器可顯著增加無線電射程，雖然其成本和功耗皆較高。
對這些選擇中任何一種選擇，都需要一個(gè)印刷電路測試板來支持集成電路或模塊。另外還需要具有足夠大的峰值功率且不受噪聲干擾的電源。如果選擇了芯片級(jí)無線電，則還需要相應(yīng)的天線接口電路。
隨著ZigBee協(xié)議在各類嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用中變得越來越常見，工程師需要能夠快速而高效地確認(rèn)和驗(yàn)證ZigBee模塊性能。這一系統(tǒng)級(jí)任務(wù)由于射頻（RF）信號(hào)的存在和需要考慮模擬、數(shù)字和射頻信號(hào)的相互作用而變得更加復(fù)雜。如后文所述，一種稱為混合域示波器（MDO，其名稱源于其包含頻譜分析電路）的新型示波器可幫助減輕ZigBee測試任務(wù)。首先，我們來看一看主要設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)及相關(guān)折衷和權(quán)衡。
ZigBee設(shè)計(jì)考量
由于最終應(yīng)用各式各樣且有數(shù)千種產(chǎn)品均可適用ZigBee技術(shù)，所以在ZigBee的世界里沒有所謂的以不變應(yīng)萬變之說。各廠家的ZigBee無線電選件的集成度各不相同，其中即有無線電集成電路，也有帶有微控制器、功率放大器、天線和低噪聲放大器的完整集成式模塊。由于這一多樣性的存在，所以設(shè)計(jì)人員必須了解其中涉及的折衷和權(quán)衡。應(yīng)當(dāng)考慮的主要方面包括：
成本 — 與集成電路相比，模塊在材料成本與設(shè)計(jì)和管理審批成本之間存在重大折衷。模塊成本由于其需要支持元件和裝配勞動(dòng)而顯著高于無線電集成電路，即使數(shù)量龐大也不足以改變這一事實(shí)。多出成本中的一部分源自重復(fù)的印刷電路板材料，但大部分源自模塊的設(shè)計(jì)成本以及向模塊生產(chǎn)商退貨。但是，設(shè)計(jì)無線電模塊和獲得必需的批準(zhǔn)的成本是很高的。對于基于集成電路的設(shè)計(jì)，ZigBee聯(lián)盟測試和批準(zhǔn)會(huì)使成本增加。經(jīng)驗(yàn)表明，在集成集成電路和模塊間的成本平衡點(diǎn)通常為10,000 - 25,000個(gè)單元左右。
開發(fā)時(shí)間 — 預(yù)認(rèn)證模塊在產(chǎn)品完成后即可銷售。對集成電路級(jí)設(shè)計(jì)的管理審批快時(shí)為一個(gè)月，但常常需要更長時(shí)間。通常，該時(shí)間被計(jì)入開發(fā)流程，因?yàn)楫a(chǎn)品需要接近最終形式，軟件也需要在批準(zhǔn)測試開始前起作用。
形狀因素 — 從集成電路開始來設(shè)計(jì)定制無線電可提供無線電電路配置方面的靈活性。對于定制設(shè)計(jì)，由于產(chǎn)品的整體配置，無線電電路可利用模塊不能嵌入的空隙。通常，市面上的模塊的所有零件都布置在印刷電路板的同一面，所以模塊可焊接到主板上。在定制設(shè)計(jì)中，零件可布置在任何配置中或電路板的兩面。
協(xié)議靈活性 — 許多生產(chǎn)帶有嵌入式控制器的模塊和集成電路的生產(chǎn)商都不提供ZigBee或其他通信軟件的源碼。這極大地限制了設(shè)計(jì)者增加定制功能的能力。
特殊要求 — 對有些應(yīng)用來說，集成了無線電和微控制器的模塊或集成電路所提供的硬件功能可能并不夠用。雖然總可以選擇添加第二個(gè)微控制器，但這樣一來總成本會(huì)超出預(yù)定水平。在其他情況下，可能需要提供市場上沒有的功能。例如，美國規(guī)定允許無線電輸出功率最高可達(dá)到1瓦，但很少有模塊能達(dá)到這個(gè)水平。
天線類型和布置 — 模塊的印刷電路板上可帶有天線，其形式為印刷圖案，或者為帶有外置天線的“芯片”天線。如果模塊上的天線是在屏蔽外殼的里面，或者其位置過于接近最終封裝設(shè)計(jì)中的其他元件，則其性能可能受到影響。市場上有的模塊帶有用于連接外置天線的接頭。但是，只有使用經(jīng)認(rèn)證可與模塊一起使用的天線才是合法的。如果需要使用不受模塊廠家支持的天線——例如因?yàn)樾枰叩脑鲆?mdash;—則須經(jīng)過有關(guān)機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)（這需要時(shí)間并會(huì)產(chǎn)生成本）。
集成式無線電的測試驗(yàn)證
在無線電的實(shí)現(xiàn)方案已定、相應(yīng)的印刷電板板布局已定以及任何必需的軟件編寫完成之后，還需要進(jìn)行大量測試來確保通信狀況良好。
對大多數(shù)應(yīng)用來說，無線電系統(tǒng)和產(chǎn)品的其他零件之間存在串行通信。例如，許多集成電路和模塊使用四線串行外設(shè)接口（SPI）連接來控制無線電集成電路及相關(guān)元件，如功率放大器。為了選擇頻率信道、輸出功率等級(jí)和其他許多參數(shù)，需要通過SPI命令來設(shè)置內(nèi)部寄存器。SPI用于控制用來控制功率放大器或其他器件的通用端口引腳。SPI還用于將數(shù)據(jù)包發(fā)送到集成電路或模塊，以及發(fā)送用于來傳輸數(shù)據(jù)包的命令。收到的數(shù)據(jù)也通過SPI總線來傳輸。
微控制器中的軟件（無論集成或獨(dú)立）需要提供最高等級(jí)的協(xié)議（ZigBee或其他）以及控制無線電的功率，并運(yùn)行產(chǎn)品的其他方面。在許多應(yīng)用中，無線電信號(hào)發(fā)射的時(shí)機(jī)非常重要，以致無線電在產(chǎn)品的一些其他耗電零件在運(yùn)行中并使電源電壓降至可接受水平以下時(shí)不會(huì)發(fā)射信號(hào)。
用于驗(yàn)證無線電操作的部分關(guān)鍵測試包括射頻和電源測量、數(shù)字命令、寄生信號(hào)和干擾。為舉例說明這些測試，我們把Microchip Technologies IEEE 802.15.4放大無線電模塊（MRF24J40MB）與Explorer 16演示板搭配使用。屏幕截圖來自泰克MDO4000系列混合域示波器——全球首款提供射頻、模擬和數(shù)字信號(hào)的同時(shí)時(shí)間相關(guān)視圖的示波器。設(shè)置和數(shù)據(jù)命令通過個(gè)人電腦來發(fā)送，以支持手動(dòng)控制。圖1顯示了測試設(shè)置。一個(gè)對無線電設(shè)備的直接連接被用于簡化功率和其他測量。也可以使用一個(gè)經(jīng)過校準(zhǔn)的天線來進(jìn)行射頻測量。

圖1。Microchip Technologies MRF24J40MB與Explorer 16演示板ZigBee無線電模塊/測試板和混合域示波器之間的測試連接。

射頻和電源測量
IEEE 802.15.4（包括ZigBee）標(biāo)準(zhǔn)的信道頻率間隔為5 Mhz。20dB信道帶寬應(yīng)當(dāng)顯著小于信道頻率間隔。圖2所示的2.3 MHz測得被占用帶寬完全符合該規(guī)格。輸出功率大致在20 dBm以內(nèi)。屏幕顯示了輸出頻譜（屏幕下方）以及帶寬和電源的直接測量結(jié)果。在此頻率范圍內(nèi)，測試電纜衰減約為2 dB，所以電源測量結(jié)果在預(yù)期范圍之內(nèi)。

圖2。在該圖中，橙色條代表頻域顯示相對于時(shí)域測量結(jié)果的頻譜時(shí)間。

屏幕上半部底部的橙色條代表頻譜跡線的顯示時(shí)限。頻譜時(shí)間定義為窗口成形因子除以分辨率寬度的結(jié)果。在本例中，使用默認(rèn)的Kaiser FFT函數(shù)（成形因子2.23）和11 kHz的分辨率帶寬，頻譜時(shí)間計(jì)算結(jié)果約為200 μs。在時(shí)域窗口上移動(dòng)頻譜可取得數(shù)據(jù)包發(fā)射期間任何時(shí)刻的頻譜和測量結(jié)果。該采集僅在開啟無線電數(shù)據(jù)包發(fā)射后相關(guān)。
混合域示波器的射頻采集可執(zhí)行射頻信號(hào)的功率和被占用帶寬測量。由于它也采集射頻采集的時(shí)間記錄，所以可用一個(gè)數(shù)字降壓轉(zhuǎn)換過程來產(chǎn)生I（真實(shí)）和Q（假想）數(shù)據(jù)。每個(gè)I和Q數(shù)據(jù)樣點(diǎn)代表射頻輸入與電流中心頻率的偏差。利用該分析可從所記錄的數(shù)據(jù)來計(jì)算射頻幅度-時(shí)間跡線。
圖3顯示了被添加到圖4顯示內(nèi)容的附加射頻幅度-時(shí)間跡線。這證明了圖5中的電流和電壓測量事件與射頻發(fā)射的開啟相關(guān)。

圖3。功率和被占用帶寬的測量結(jié)果，包括相關(guān)的射頻幅度-時(shí)間，以及電源電流和漏極電壓的測量結(jié)果。

綠色跡線（跡線4）顯示了模塊的消耗電流。在數(shù)據(jù)包傳輸期間，該消耗電流幾近200 mA（請注意 174 mA的直接測量結(jié)果），所以必須設(shè)計(jì)電源來支持該負(fù)載。黃色跡線（跡線1）顯示了該電流對電源的影響。壓降只有70 mV左右，這一水平應(yīng)當(dāng)是優(yōu)異的（請注意72 mV的直接峰-峰測量結(jié)果）。
屏幕上面部分的橙色跡線（跡線A）顯示了射頻信號(hào)幅度-時(shí)間關(guān)系。輸入電流分兩步上升。在第一步中，射頻集成電路被開啟。然后有一個(gè)時(shí)延來讓頻率合成器在功率放大器開啟前穩(wěn)定下來。射頻功率的上升與第二步電流上升吻合。開啟時(shí)間約為100 μs。

常常需要在低電池條件或電源電流限制條件期間了解無線電發(fā)射器的性能，以便了解無線電合規(guī)性能的余量。在圖6中，一個(gè)1.5Ω的電阻器被與模塊串聯(lián)起來，以模擬電量已快耗盡的電池的效應(yīng)。該模塊消耗的電流只低幾個(gè)毫安，但壓降為230 mV左右。根據(jù)射頻功率測量，輸出功率減少了1 dB，且相鄰信道的噪聲有輕微增加，如頻譜顯示中所見。從振幅-時(shí)間跡線（跡線A）中也可看出這一較低的輸出功率。

圖4。通過將電阻與模塊電源串聯(lián)來研究低功率性能行為的頻譜和測量結(jié)果。

數(shù)字命令
需要設(shè)置無線電集成電路和模塊來滿足具體應(yīng)用和任何針對特定協(xié)議的設(shè)置的操作要求?；旌嫌蚴静ㄆ髟试S解碼對ZigBee模塊的SPI命令。圖5顯示了SPI命令的數(shù)字捕獲結(jié)果，時(shí)間范圍與圖2的時(shí)間范圍相同。解碼功能被啟用，但在此時(shí)間范圍內(nèi)不可讀。

圖5。SPI數(shù)字信號(hào)（SPI - MOSI和MISO）的數(shù)據(jù)包解碼被添加到顯示中。

在本例中，模擬、數(shù)字和射頻采集的觸發(fā)條件為跡線4的漏極電流高于130 mA。中心左側(cè)上方顯示中的所有時(shí)域測量結(jié)果顯示了在射頻開啟時(shí)在電流超出該水平前的事件。其中包括數(shù)字解碼、模擬（電壓和電流）及射頻-時(shí)間關(guān)系。從這些信息可以看出，數(shù)字命令出現(xiàn)在射頻事件發(fā)生前約600 ms時(shí)。
紫色跡線顯示了被解碼數(shù)據(jù)在時(shí)域中的位置?？墒褂闷揭坪涂s放功能來讀取數(shù)字波形和被解碼的數(shù)據(jù)。可讀取或觸發(fā)SPI（MISO）上的回讀命令和數(shù)據(jù)，以確認(rèn)命令正確和驗(yàn)證無線電的操作。
混合域示波器架構(gòu)簡化了SPI命令觸發(fā)和相關(guān)射頻事件間的測量。在圖6中，觸發(fā)事件現(xiàn)在變?yōu)镾PI命令{37} ——無線電發(fā)射觸發(fā)命令。時(shí)域顯示上的標(biāo)記顯示了SPI命令至電流引出（在射頻發(fā)射器開啟之初）現(xiàn)在為1.768 ms。

圖6。隨后基于SPI命令的觸發(fā)顯示了命令和無線電開啟開間的時(shí)延。

在前面圖5中的例子中，命令至開啟時(shí)延約為600 μs。圖6中的實(shí)際事件時(shí)間長近三倍。這證明ZigBee無線電的行為在實(shí)際上符合IEEE 802.15.4的物理層性能要求之一。ZigBee無線電使用命令和開啟事件之間的偽隨機(jī)時(shí)延來啟用無線電，以偵聽其他ZigBee無線電發(fā)射器或其他無線電干擾信道。

寄存信號(hào)
在確認(rèn)無線電的操作時(shí)，確保沒有會(huì)導(dǎo)致干擾的寄存信號(hào)非常重要。圖7顯示在ZigBee工作頻帶中沒有顯著的寄存信號(hào)。請注意，此圖的相關(guān)模塊的發(fā)射頻率設(shè)置為2.45 GHz頻帶的中心頻率。標(biāo)記功能在此被用于測量峰值信號(hào)。在分辨率帶寬現(xiàn)在被設(shè)為100 kHz的情況下，頻譜時(shí)間現(xiàn)在減小到剛剛超過20 ms。

圖7。2.45 GHz的寬頻掃描可提供關(guān)于整個(gè)ISM頻帶的信號(hào)視野。

尋找頻譜其他部分中的信號(hào)也很重要。例如，下一步可能是看被發(fā)射信號(hào)的第二諧波的頻率范圍（在其仍然與射頻傳輸開啟期間的電流消耗的觸發(fā)水平有關(guān)時(shí)）。在本例中，我們只在第二諧波中發(fā)現(xiàn)一個(gè)小信號(hào)，其他頻率沒有任何顯著發(fā)現(xiàn)。標(biāo)記所在位置的第二諧波信號(hào)比基波約低35 dB，這完全在適用此類無線電發(fā)現(xiàn)器的RCC規(guī)則的范圍之內(nèi)。
干擾
對于某些應(yīng)用，使用天線來進(jìn)行測量，以識(shí)別可能干擾所開發(fā)無線電的其他無線電來源是很有用的。在圖12中，MDO使用了一個(gè)干擾天線來尋找可能的干擾無線電來源。中心頻率為2.46 MHz的寬頻信號(hào)來自位于同一座大樓中的Wi-Fi基站。該基站覆蓋ZigBee無線電能夠使用的大量信道。在針對該無線電模塊的應(yīng)用中，避免使用該頻率附近的信道是明智的，因?yàn)閆igBee無線電的射程可能受到影響，或者無線電信號(hào)被完全阻截。
 

圖8。顯示無線局域網(wǎng)干擾信號(hào)，以評(píng)估互操作性測試期間的影響。

在本例中，射頻觸發(fā)器只使用了MDO的頻譜分析儀選項(xiàng)來捕獲感興趣頻帶中的信號(hào)。主要參考標(biāo)記顯示這是一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的信號(hào)。手動(dòng)標(biāo)記（a）和（b）是干擾源的頻率范圍的讀數(shù)。此干擾的頻率范圍和功率會(huì)使ZigBee信道17-19不可用。當(dāng)然，包括ZigBee在內(nèi)的大多數(shù)協(xié)議將會(huì)掃描此類干擾并將操作移動(dòng)到干凈的信道。復(fù)雜程度稍低一些的協(xié)議可能需要對操作信道進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。
總結(jié)
在實(shí)現(xiàn)ZigBee或其他IEEE 802.15.4無線電之前有許多選擇可供考慮。最佳方案的選擇取決于許多因素，包括開發(fā)時(shí)間、單位成本-設(shè)計(jì)和批準(zhǔn)成本，以及諸多特殊要求，如可用空間、形狀因素，另外還有針對無線電的特殊電氣要求。
無論選擇哪種方案，為了確保無線系統(tǒng)的正常工作，都要進(jìn)行大量的測量。射頻測量包括檢查射頻輸出頻率、輸出振幅、被占用帶寬和寄生輸出。數(shù)據(jù)包定時(shí)、電流消耗和電源噪聲的確認(rèn)也很重要。此外，確認(rèn)無線電設(shè)置了正確的數(shù)字配置信息以及收到正確的數(shù)據(jù)也很重要。如本文所示，能夠關(guān)聯(lián)模擬、數(shù)字和射頻信號(hào)的混合域示波器非常適用于完成該任務(wù)，并可幫助設(shè)計(jì)人員在確認(rèn)和驗(yàn)證ZigBee模塊的過程中節(jié)省時(shí)間和減輕工作量。