MT-ZigBee硬件平臺的設計
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ZigBee技術(shù)是一種具有統一技術(shù)標準的短距離、低速率的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其物理層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層協(xié)議為IEEE 802．15．4協(xié)議標準，網(wǎng)絡(luò )層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應用層的開(kāi)發(fā)根據用戶(hù)的實(shí)際應用需求，對其進(jìn)行開(kāi)發(fā)設計。
在設計開(kāi)發(fā)ZigBee協(xié)議之前必須要有相應硬件平臺的支撐，這里為ZigBee協(xié)議棧的實(shí)現提供了相應的硬件平臺設計。在此主要介紹了MT-ZigBee硬件平臺的設計與各硬件模塊的測試。硬件平臺的設計主要包括硬件平臺的選型、ZigBee控制電路的硬件設計和ZigBee射頻電路部分的硬件設計；硬件平臺的測試主要包括各個(gè)硬件模塊的測試。
1 ZigBee硬件方案
在ZigBee技術(shù)聯(lián)盟中，Freescale，TI，Chipeon，Philips等公司都是ZigBee標準制訂的先驅。在射頻收發(fā)芯片方面，主要有Freeseale公司的MC13192，MC13193和Chipeon公司的CC2420，CC2430所提供的兩大解決方案。下面簡(jiǎn)單比對這兩種可選的硬件開(kāi)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標準的射頻數據調制解調器，它工作在2．4 GHz頻段下，與MCU通過(guò)標準的4線(xiàn)SPI接口通信，采用16個(gè)射頻通道，數據速率為250 Kb／s。與HCS08核MCU配套使用，可提供低成本、低功耗、經(jīng)濟高效的ZigBee硬件平臺方案。挪威半導體公司Chipcon推出的CC2430射頻芯片是全球首顆符合ZigBee技術(shù)標準的2．4 GHz射頻芯片，它沿用了CC2420的架構。CC2430兼容IEEE802．15．4標準，具有8051核的無(wú)線(xiàn)單片機。其在單芯片上集成了ZigBee RF前端、存儲器和微控制器。另外，CC2430內部還包含了模／數轉換器(ADC)、定時(shí)器、AES-128協(xié)處理器、看門(mén)狗、32 kHz晶振時(shí)鐘、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個(gè)可編程I／O接口。由于Freescale公司提供了詳細的芯片手冊、參考設計、布線(xiàn)設計等文檔說(shuō)明，為硬件平臺的搭建提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。這里在現有的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計開(kāi)發(fā)了MT-ZigBee硬件平臺。
2 MT-ZigBee硬件平臺設計
MT-ZigBee硬件平臺的設計，主要包括硬件平臺的選型，ZigBee控制電路的硬件設計和ZigBee射頻電路部分的硬件設計。
2．1 硬件選型
(1)主控MCU的選取。從芯片內部集成功能模塊、RAM和FLASH的存儲容量、芯片和開(kāi)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(jiǎn)稱(chēng)GB60)作為平臺的主控芯片。HCS08核，最高總線(xiàn)頻率可達40 MHz；它內部具有64 KB的FLASH和4 KB的RAM存儲空間；內部集成了1個(gè)SPI模塊，適合與MC13192的通信；2個(gè)SCI模塊，方便與PC通信；具有背景調試模塊．能利用單線(xiàn)對HCS08核的系列MCU進(jìn)行方便地寫(xiě)入和調試，加快開(kāi)發(fā)的速度并大大降低了調試的難度。
(2)物理層芯片的選取。為了設計出低成本、低功耗、經(jīng)濟高效的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)和醫療(ISM)的無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)器。MC13192與MCU的接口簡(jiǎn)單，只需四線(xiàn)的SPI，1個(gè)IRQ中斷請求線(xiàn)和3個(gè)控制線(xiàn)。
2．2 MT-ZigBee硬件平臺設計
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(wú)線(xiàn)射頻通信模塊；SCI串行通信模塊；運行狀態(tài)顯示模塊和現場(chǎng)數據采集模塊，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、液晶及運行指示燈模塊設計比較簡(jiǎn)單，由于篇幅問(wèn)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(wú)線(xiàn)射頻通信模塊的硬件設計。
2．2．1 電源輸入模塊
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )主要用于采集現場(chǎng)數據，再進(jìn)行相應控制。設備均安放在采集現場(chǎng)，考慮到便于攜帶、安裝，供電電源采用1節9 V的干電池。在硬件電路上電源分為兩路：一路是單獨供給主控芯片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(guò)MOS管來(lái)控制外圍模塊電源：當系統正常工作時(shí)，GB60允許外圍模塊電源上電；當系統進(jìn)入低功耗狀態(tài)時(shí)，GB60切斷外圍模塊電源．這樣整個(gè)系統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)現了整個(gè)系統的低功耗。注意，在切斷外圍模塊電源時(shí)，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，應該使用電流截止性能好的MOS管(如：SI2301)來(lái)實(shí)現。
2．2．2 GB60與MC13192接口電路設計
GB60與MC13192的接口電路如圖3所示。GB60與MC13192主要有9個(gè)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(shí)鐘輸出引腳。其中對于4線(xiàn)SPI，根據參考手冊指出，當作為SPI主機方式，同時(shí)SPI狀態(tài)與控制寄存器的模式錯誤標志(MODF)有效并置為1時(shí)，引腳可單獨作為I／O口使用。在該設計中GB60為SPI主機方，直接作為輸出口使用，用以控制MC13192的CE使能信號。
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