基于MC13213的單芯片ZigBee平臺的物理層協(xié)議研究與實(shí)現

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，該技術(shù)基于IEEE 802.15.4標準，由成立于2001年8月的ZigBee聯(lián)盟提出。2004年12月，ZigBee聯(lián)盟制定了ZigBee SpecificationV1.0。至今ZigBee技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展和應用。目前，我國絕大部分的ZigBee硬件都是由國外廠(chǎng)商設計和生產(chǎn)的。早期的ZigBee硬件都是微控制器(MCU)和IEEE 802.15.4射頻芯片分離的。隨著(zhù)片上系統(SoC)的出現，ZigBee硬件也發(fā)展到了在一個(gè)芯片內部集成了MCU和射頻芯片，如Freescale公司的MC1321x，TI公司的CC243x，Ember公司的EM250以及Jennic公司的JN5121和JN5139等[1-2]。其中，Freescale公司的MC1321x降低了ZigBee開(kāi)發(fā)者對硬件射頻電路的要求，加速了ZigBee系統的開(kāi)發(fā)，同時(shí)具有較高的穩定性和可靠性。

為了更好地推廣應用ZigBee，本文對物理層協(xié)議及編程方法進(jìn)行了深入研究。物理層是ZigBee的關(guān)鍵技術(shù)，完整的ZigBee協(xié)議包括應用層(APL)、網(wǎng)絡(luò )層(NWK)、媒介接入控制層(MAC)和物理層(PHY)等。物理層通過(guò)操作底層硬件為上層提供服務(wù)接口，因此物理層的穩定可靠關(guān)系到整個(gè)協(xié)議棧的健壯性，是其他層設計的基礎。

采用嵌入式構件化的設計方法，可提高物理層設計的可移植性和可重用性，目前很少有人做這方面的工作。本文采用射頻片上系統(SoC)——MC13213設計了一個(gè)較通用的單芯片ZigBee硬件平臺，分析和實(shí)現了ZigBee協(xié)議物理層，按照構件化的方法進(jìn)行設計，并對構件進(jìn)行了詳細的測試，這不僅為基于物理層的簡(jiǎn)單應用提供了方法，而且為后續的MAC層的應用打下了基礎。

1 ZigBee物理層功能概述

ZigBee工作在免申請的工業(yè)科學(xué)醫療頻段。IEEE 802.15.4標準中定義了兩個(gè)可用的物理層：基于2.4 GHz頻段的“短距離”實(shí)現和基于868/915 MHz頻段的“長(cháng)距離”實(shí)現，兩者都使用直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)。中國目前的ZigBee工作頻段為2.4 GHz。

ZigBee物理層通過(guò)射頻固件和射頻硬件為MAC層和物理無(wú)線(xiàn)信道之間提供了服務(wù)接入點(diǎn)SAP(Service Access Point)。

IEEE 802.15.4定義的物理層參考模型如圖1所示。其中PD-SAP(PHY Data Service Access Point)是物理層提供給MAC層的數據服務(wù)接口，PLME-SAP(Physical Layer Management Entity-Service Access Point)是物理層提供給MAC層的管理服務(wù)接口，RF-SAP是由底層無(wú)線(xiàn)射頻驅動(dòng)程序提供給物理層的接口。

物理層主要完成以下工作：激活和禁用射頻收發(fā)器，對信道進(jìn)行能量檢測ED(Energy Detect)，提供所接收數據包的鏈路質(zhì)量指示LQI(Link Quality Indication)，空閑信道評估CCA(Clear Channel Assessment)，信道頻率選擇，數據發(fā)送和接收等。

2 MC13213單芯片ZigBee物理層編程結構

Freescale公司推出的單芯片ZigBee解決方案——MC13213采用SoC技術(shù)，在9 mm×9 mm的LGA封裝內集成了HCS08 MCU和遵循IEEE 802.15.4標準的第二代無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器MC1320x[3-4] (后文中將用MCU和Modem分別代表MCU模塊和射頻收發(fā)器模塊)。具有4 KB的RAM、60 KB的Flash，1個(gè)串行外設接口(SPI)，2個(gè)異步串行通信接口(SCI)，1個(gè)鍵盤(pán)中斷模塊(KBI)，2個(gè)定時(shí)器/脈寬調制TPM(Timer/PWM)模塊，1個(gè)8通道10位的模數轉換器(ADC)，以及多達32個(gè)的GPIO口等[5]。Modem內部已經(jīng)集成了功率放大器PA(Power Amplifier)、低噪聲放大器LNA(Low Noise Amplifier)和收/發(fā)開(kāi)關(guān)(T/R switch)，這在很大程度上降低了系統成本和射頻電路的設計難度。

2.1 Modem與MCU的交互方式

Modem可以通過(guò)SPI接口、IRQ中斷請求以及幾個(gè)狀態(tài)和控制信號與主控MCU實(shí)現交互，如圖2所示。

SPI命令通道是Modem與MCU之間的主要交互方式，使用標準的4線(xiàn)SPI進(jìn)行通信。MCU通過(guò)SPI命令結構可以讀/寫(xiě)Modem的寄存器內容、設置Modem的初始化參數、讀取Modem的狀態(tài)和控制信息。IRQ中斷為Modem提供了一種通知MCU有關(guān)Modem內部所發(fā)生事件的方法，這樣就免除了MCU一直輪詢(xún)Modem，降低了MCU的運行開(kāi)銷(xiāo)。ATTN用來(lái)把Modem從低功耗模式喚醒，RXTXEN用來(lái)允許Modem的發(fā)送、接收和CCA等操作。GPIO1引腳反映了Modem收發(fā)機是否忙，GPIO2引腳可以反映所接收數據包的循環(huán)冗余校驗CRC(Cyclical Redundancy Check)是否有效或者反映CCA的結果[6]。

2.2 Modem的SPI事務(wù)操作

SPI事務(wù)是在標準SPI協(xié)議基礎上實(shí)現的一個(gè)擴展SPI協(xié)議。由于Modem中的寄存器和RAM大小都配置為16 bit即一個(gè)字(word)的寬度，所以它規定了每次SPI事務(wù)過(guò)程必須由1 B的頭(header)和2×N B的載荷(payload)組成，每個(gè)字節對應一個(gè)SPI脈沖(SPI burst)，其中1≤N≤64，且為整數，代表每個(gè)SPI事務(wù)中所包含的字(word)數，當N=1時(shí)，稱(chēng)為SPI單次事務(wù)(SPI singular transaction)；其他情況稱(chēng)為SPI循環(huán)事務(wù)(SPI recursive transaction)。header的最高位為R/W位，表示操作類(lèi)型是讀還是寫(xiě)；header的低6位是寄存器地址，表示了SPI操作的64個(gè)可能的寄存器地址(注意，有一部分寄存器沒(méi)有實(shí)現)。

2.3 Modem的數據傳輸模式

Modem定義了兩種數據傳輸模式：Stream模式和Packet模式。在Stream模式中，數據的發(fā)送和接收是逐字(word-by-word)處理的。而在Packet模式中，發(fā)送時(shí)，發(fā)送方先將待發(fā)送數據緩存在Modem的發(fā)送緩沖區(TX RAM)中，然后再發(fā)送；接收時(shí)，接收方先在接收緩沖區(RX RAM)中緩存收到的整個(gè)數據包，然后再通知MCU來(lái)讀取。雖然Packet模式下數據的接收有稍許延遲，但其降低了對MCU的資源要求[7]，在本協(xié)議棧實(shí)現過(guò)程中使用這種數據傳輸模式。

3 物理層構件設計

基于MC13213單芯片的ZigBee平臺實(shí)現物理層協(xié)議構件程序的設計，首先必須編寫(xiě)底層硬件驅動(dòng)程序，然后設置Modem的運行方式，再進(jìn)行數據包收發(fā)程序的設計等。

3.1 底層硬件驅動(dòng)程序的實(shí)現

硬件驅動(dòng)程序介于底層硬件和ZigBee協(xié)議棧之間，可以使得運行于硬件之上的ZigBee協(xié)議棧更易于維護和移植。其中芯片初始化程序對MCU的一些硬件模塊進(jìn)行正確的配置，以保證MCU可以正常工作。這里所做的主要配置包括：關(guān)閉看門(mén)狗，設置內部時(shí)鐘模塊的校準(trim)值，配置MCU的時(shí)鐘模塊等。

初始化完成后會(huì )涉及到SPI循環(huán)事務(wù)的實(shí)現，下面以Packet模式下發(fā)送和接收3 B數據的完整過(guò)程來(lái)描述對Modem RX/TX RAM的SPI循環(huán)讀寫(xiě)操作，如圖3所示。其中，RX/TX RAM的長(cháng)度為128 B。圖中假定MCU均是以字節數組的形式來(lái)保存待發(fā)送或接收到的數據。

從圖3可以看出，讀/寫(xiě)RAM時(shí)的SPI通信是最高有效位優(yōu)先(MSB-first)的，而在無(wú)線(xiàn)發(fā)送/接收過(guò)程中是最低有效位優(yōu)先LSB-first(Least Significant Bit first)的，但在編寫(xiě)SPI循環(huán)讀寫(xiě)操作時(shí)并不需要考慮上述兩種順序，也并不會(huì )導致接收方在接收發(fā)送方的數據時(shí)產(chǎn)生比特位順序的改變。

需要特別注意的是，由于SPI事務(wù)要求所有的數據傳輸都是按16 bit寬度進(jìn)行的，當發(fā)送數據是奇數個(gè)字節時(shí)，其最后一字節數據要進(jìn)行特別處理，即需填充一個(gè)任意字節以湊滿(mǎn)16 bit寬度，但是這個(gè)拼湊的字節和最后那個(gè)有效字節的發(fā)送順序必須按照圖3中的順序進(jìn)行，即先發(fā)填充字節，以保證在TX RAM中，最后一字節緊跟在前面的偶數個(gè)字節之后。而在最后一字節數據之前的偶數個(gè)字節數據由于是16 bit寬度的倍數，所以在發(fā)送每個(gè)字時(shí)對字節發(fā)送順序沒(méi)有特別要求，只要接收方和發(fā)送方按照同一種順序收發(fā)各字節即可。

3.1.1 使用SPI循環(huán)寫(xiě)事務(wù)向TX RAM中寫(xiě)入待發(fā)送數據

執行這個(gè)操作之前，待發(fā)送數據長(cháng)度應已經(jīng)寫(xiě)入TX_Pkt_Control寄存器的tx_pkt_length[6：0]字段。

MCU向TX RAM中寫(xiě)入待發(fā)送數據的一般流程如下：

(1)根據需要配置TX_Pkt_Control寄存器的tx_ram2_select位，以選擇使用兩塊TX RAM中的一塊。

(2)計算寫(xiě)入待發(fā)送數據所需要的SPI脈沖個(gè)數，注意：

①CRC字節不需寫(xiě)入到TX RAM中，它是由硬件自動(dòng)產(chǎn)生的；

②待發(fā)送數據的最大長(cháng)度為125 B(去掉2 B的CRC)；

③必須為偶數個(gè)字節，若數據長(cháng)度為奇數個(gè)字節，應加1使其變?yōu)榕紨怠?/p>

(3)做一個(gè)SPI循環(huán)寫(xiě)事務(wù)來(lái)寫(xiě)入數據：

①MCU拉低SPI模塊的片選信號CE，選中Modem；

②MCU向Modem發(fā)送第一個(gè)SPI脈沖，其中R/W位應為0，表示寫(xiě)操作；

③按照(2)中計算的SPI脈沖個(gè)數，寫(xiě)入待發(fā)送數據；

④MCU拉高CE，使片選失效；

(4)整個(gè)寫(xiě)操作結束。

3.1.2 使用SPI循環(huán)讀事務(wù)讀取RX RAM中的已接收數據

MCU讀取RX RAM中的已接收數據的一般流程如下：

(1)MCU讀Modem的RX_Status寄存器rx_pkt_latch[6：0]字段以獲取數據長(cháng)度。

(2)計算讀取RX RAM中的已接收數據所需要的SPI脈沖個(gè)數：

①通常不讀取2 B的CRC，所以數據長(cháng)度應減去2；

②若數據長(cháng)度為奇數個(gè)字節，應加1使其變?yōu)榕紨担?/p>

③按照Modem SPI事務(wù)協(xié)議的規定，應丟棄讀到的第一個(gè)字(word)，因為在第一次讀取時(shí)，內部RAM的地址還沒(méi)有準備好，這樣又導致了數據長(cháng)度加2。

(3)做一個(gè)SPI循環(huán)讀事務(wù)來(lái)讀取數據：

①MCU拉低SPI模塊的片選信號CE，選中Modem；

②MCU向Modem發(fā)送第一個(gè)SPI脈沖，其中R/W位應為1，表示讀操作；

③按照(2)中計算的SPI脈沖個(gè)數讀取所有數據。注意，協(xié)議規定應丟棄讀到的第一個(gè)字(word)。當數據為奇數個(gè)字節時(shí)，應丟棄圖3中的那個(gè)填充字節；

④MCU拉高CE，使片選失效。

(4)整個(gè)讀操作結束。

3.2 設置Modem運行模式

Modem有多種運行模式，主要可分成兩類(lèi)：活動(dòng)模式和低功耗模式。其中活動(dòng)模式包括Idle模式、Receive(RX)模式、Transmit(TX)模式和CCA/ED模式；低功耗模式包括Off模式、Hibernate模式、Doze模式[8]。

Idle模式是Modem退出任何其他模式后的默認模式，也是進(jìn)入任何其他模式的初始模式；RX、TX模式分別為Modem接收、發(fā)送數據時(shí)所處的工作模式；CCA/ED模式為空閑信道評估/能量檢測時(shí)所處的工作模式，用來(lái)評估信道是否空閑或測量信道的當前能量值[8]。

收發(fā)機狀態(tài)設置是通過(guò)調用設置收發(fā)狀態(tài)函數實(shí)現的，其函數頭如下：

//-----------------------------------------*

//功能： 設置收發(fā)機狀態(tài)函數，把收發(fā)機設置成用戶(hù)期望的狀態(tài)

//參數： nDesiredStatus - 用戶(hù)期望狀態(tài)

//返回： SUCCESS - 成功設置成指定模式；

// 等于用戶(hù)期望模式-收發(fā)機之前就處于用戶(hù)期望狀態(tài)；

// 其他 - 表示執行失??；

//說(shuō)明： 無(wú)

//----------------------------------------*

INT8U PLMESetTRXState(INT8U nDesiredStatus)；

3.3 物理層數據包的收發(fā)

物理層數據稱(chēng)為物理層數據單元PPDU(PHY Protocol Data Unit)，包括同步包頭、物理層包頭和物理層載荷三部分[3]，如圖4所示。其中同步包頭可以使得接收設備鎖定在比特流上，并與比特流保持同步；物理層包頭包含了數據包的長(cháng)度信息，在0~127之間；物理層服務(wù)數據單元PSDU(PHY Service Data Unit)也稱(chēng)物理層載荷，攜帶MAC層的幀信息，即MAC層協(xié)議數據單元MPDU(MAC Protocol Data Unit)。注意，CRC檢驗字節包含在PSDU中的最后兩字節中。

物理層數據包的發(fā)送和接收比較簡(jiǎn)單，對于MC13213的Modem來(lái)說(shuō)，用戶(hù)所要做的只是調用SPI循環(huán)事務(wù)寫(xiě)入或讀取物理層包頭和載荷，然后拉高RXTXEN引腳使能Modem的發(fā)送和接收即可。PPDU的同步包頭是由硬件自動(dòng)添加的。

(1)物理層數據包的發(fā)送

Packet模式下發(fā)送數據包的過(guò)程是在物理層數據請求函數中實(shí)現的，在函數實(shí)現過(guò)程中，應根據要求，向上層通知數據發(fā)送結果的狀態(tài)信息。其函數頭如下：

//------------------------------------------------*

//功能： 數據請求函數，生成物理層協(xié)議數據單元(PPDU)并無(wú)線(xiàn)發(fā)送出去

//參數： nPSDULength-物理層PSDU(即MAC層的MPDU)中的字節數，

// 長(cháng)度要=aMaxPHYPacketSize(物理層最大數據包容量)

// pPSDU - 指向物理層PSDU數據的指針

//返回： SUCCESS - 發(fā)送成功；其他值 - 發(fā)送失敗

//說(shuō)明： 由MAC層調用

//-----------------------------------------*

INT8U PDDataRequest(INT8U nPSDULength， INT8U *pPSDU)；

(2)物理層數據包的接收

一般情況下，Modem的接收機是關(guān)閉的。當Modem接收機處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)有其他Modem在同一信道上發(fā)送數據，則Modem會(huì )接收到這些數據。

本協(xié)議棧實(shí)現Packet模式下接收數據包時(shí)，為物理層數據包實(shí)現了一個(gè)環(huán)形的接收緩沖區，以保證數據的及時(shí)可靠接收，其結構定義如下：

//PSDU最大數據包長(cháng)度(不包括CRC)

#define PSDUMaxLen 125

//PSDU數據包定義

typedef struct PSDURxPacket_tag

{ INT8U m_nLen；

INT8U m_nData[PSDUMaxLen]；

INT8U m_nStatus；

INT8U m_nLQI；

} PSDURxPacket_t；

//PSDU數據接收緩沖區個(gè)數

#define PSDURxBufferNum 8

//PSDU數據接收緩沖區定義

typedef struct PSDURxBuffer_tag

{ INT8U m_nPSDUCount；

INT8U m_nHead；

INT8U m_nTrail；

PSDURxPacket_t m_sPSDU[PSDURxBufferNum]；

} PSDURxBuffer_t；

//定義PSDU環(huán)形接收緩沖區

static PSDURxBuffer_t s_sPSDURxBuffer；

3.4 其他編程相關(guān)說(shuō)明

空閑信道評估(CCA)用來(lái)判斷信道是否空閑。能量檢測(ED)用來(lái)測量目標信道中接收信號的功率強度，由于這個(gè)檢測本身不進(jìn)行解碼操作，所以檢測結果是有效信號功率和噪聲信號功率之和。另外，鏈路質(zhì)量指示(LQI)提供了接收數據包時(shí)無(wú)線(xiàn)信號的強度和信道質(zhì)量信息。與能量檢測不同的是，LQI要對信號進(jìn)行解碼，生成的是一個(gè)信噪比指標。這個(gè)信噪比指標和物理層數據單元一起提交給上層處理。Modem中RX_Status寄存器的cca_final[7：0]字段保存了以上操作的結果值。

當Modem完成MCU指定的某個(gè)功能（如發(fā)送完成、接收完成、CCA/ED完成等），就會(huì )產(chǎn)生IRQ中斷，然后MCU會(huì )讀取Modem的IRQ狀態(tài)寄存器，針對不同的IRQ中斷類(lèi)型分別進(jìn)行處理。

物理層管理實(shí)體(PLME)維護了物理層正常工作所必須的一些屬性參數，包括物理層支持的信道列表、當前用于發(fā)送和接收的信道、物理層的發(fā)射功率以及CCA模式4個(gè)屬性。每個(gè)屬性都有一個(gè)唯一的屬性標識符，并且某些屬性還有一些特定的取值范圍。屬性的讀和寫(xiě)分別由屬性設置和讀取函數來(lái)實(shí)現，由于物理層的屬性較少，直接通過(guò)switch/case語(yǔ)句實(shí)現即可。

4 物理層構件測試

按照前面分析的ZigBee物理層編程結構編寫(xiě)測試程序，可用于對物理層的構件功能進(jìn)行測試。測試可先進(jìn)行SPI單次讀寫(xiě)事務(wù)測試，然后再進(jìn)行數據包收發(fā)測試。

4.1 SPI單次讀寫(xiě)事務(wù)的正確性測試

在對Modem的內部寄存器初始化之前，可利用SPI單次讀事務(wù)獲取Modem寄存器的內容，并通過(guò)串口輸出顯示與Modem寄存器的復位值對比是否一致。接著(zhù)利用SPI單次寫(xiě)事務(wù)，對Modem進(jìn)行初始化，初始化后，再把修改后的Modem寄存器的內容通過(guò)串口輸出顯示，與修改值比較，即可得出SPI寫(xiě)事務(wù)是否正確。

4.2 物理層數據包的收發(fā)測試

物理層數據包的收發(fā)測試需要一個(gè)發(fā)送節點(diǎn)和一個(gè)接收節點(diǎn)相互配合。對于能否正確收發(fā)需要測試兩種情況，發(fā)送節點(diǎn)分別發(fā)送奇數個(gè)和偶數個(gè)字節的數據，看接收節點(diǎn)能否正確收到。這部分的測試是借助于串口調試工具來(lái)完成的，接收節點(diǎn)把收到的數據發(fā)往PC機串口顯示。

物理層數據包收發(fā)的可靠性測試條件如下：一個(gè)發(fā)送節點(diǎn)和一個(gè)接收節點(diǎn)，二者相距5 m左右，其中發(fā)送節點(diǎn)每次發(fā)送長(cháng)度為20 B的數據，并且數據中的最后2 B作為一個(gè)16 bit的整數，用來(lái)記錄發(fā)送次數，每發(fā)送一次其值加1。發(fā)送節點(diǎn)何時(shí)開(kāi)始發(fā)送數據由PC方測試軟件控制，接收節點(diǎn)負責接收數據并發(fā)給PC端測試軟件顯示，通過(guò)比較發(fā)送字節數與接收字節數以及數據中的發(fā)送次數字段，可以得出數據丟失情況。所有的測試數據會(huì )寫(xiě)入后臺的ACCESS數據庫中，以供將來(lái)進(jìn)行數據的統計分析。試驗中測試的一組數據如表1所示，丟包率不超過(guò)0.1%。

本文研究了ZigBee協(xié)議物理層的SPI事務(wù)協(xié)議、Modem的工作模式等關(guān)鍵技術(shù)和編程方法，實(shí)現了基于單芯片ZigBee平臺的構件化的底層硬件驅動(dòng)程序和物理層數據包收發(fā)程序。測試表明，此硬件平臺穩定可靠、實(shí)現容易，不但方便了其他研究人員學(xué)習和實(shí)踐ZigBee技術(shù)，降低了研究ZigBee技術(shù)的門(mén)檻，還由于采用了單芯片設計和構件化設計方法，具有較高的可移植性和可重用性，使其很容易應用到實(shí)際項目中。同時(shí)為ZigBee協(xié)議棧后續其他層的研究和實(shí)現打下了基礎，并為其他協(xié)議的應用研究提供了參考。

參考文獻

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