基于A(yíng)T86RF230 ZigBee的WPAN網(wǎng)絡(luò )設備設計

　　2002年英國Invensys、日本三菱電氣、美國Motorola三家公司宣布組成ZigBee技術(shù)聯(lián)盟，共同研究ZigBee技術(shù)。IEEE也于 2003年制定了針對LR-WPAN(LowRate Wireless Personal Area Networks)的IEEE 802．15．4-2003無(wú)線(xiàn)規范，定義了一種新的無(wú)線(xiàn)設備的物理層和MAC層，并致力于開(kāi)發(fā)一種可應用在固定、便攜或移動(dòng)設備上的，低成本、低功耗和低速率的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，其目標功能是自動(dòng)化控制，采用DSSS擴頻技術(shù)，有效覆蓋范圍根據不同速率可達0～300 m。

　　IEEE 802．15．4—2003協(xié)議共規定了27個(gè)通信信道：868 MHz有1個(gè)，速率為20 kbps；915 MHz有lO個(gè)，速率為40 kbps；2．45 GHz有16個(gè)，速率為250 khps。支持星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀3種拓撲結構，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(lèi)型的設備。為了簡(jiǎn)化協(xié)議，IEE： E 802．15．4—2003滿(mǎn)足OSI參考模型，規定了物理層和MAC層，每一層完成自身所規定的任務(wù)，并向上層提供服務(wù)任務(wù)接口。協(xié)議中數據通信方式可分為直接數據傳送和間接數據傳送兩種，并且以數據幀的形式打包發(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(fǎng)問(wèn)控制機制、確認幀的應答方式和CRC-16 ITU的校驗機制，并可以加入一些數據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(yǔ)，MAC層有35條原語(yǔ)。與藍牙相比，這些原語(yǔ)只是它的1／3。

　　1 硬件電路設計

　　一般情況下IEEE802．15．4網(wǎng)絡(luò )設備的基本構成如圖l所示。系統的電源通常由電池提供，也可以由穩壓模塊供給。RF收發(fā)芯片負責射頻信號的產(chǎn)生和接收解調，其基準時(shí)鐘由外部高精度的晶體振蕩器提供；同時(shí)要實(shí)現一些物理層和MAC層的基本功能，例如編解碼、信道選擇、功率控制、接收機能量檢測(RSSI)、鏈路質(zhì)量指示(LQI)、空閑信道評估(CCA)和硬件CRC校驗等。在實(shí)現這些基本功能的前提下，RF芯片應該盡量做到低功耗、高靈敏度和較小封裝。微控制器要有豐富的資源來(lái)完成對RF芯片的控制，以及對傳感器、各類(lèi)應用接口和用戶(hù)接口的實(shí)時(shí)響應。通常協(xié)議棧需要占用32 KB左右的存儲空間。

　　1.1 AT86RF230性能和內部結構

　　Atmcl公司的AT86RF230是與ZigBee／IEEE802．15．4兼容的無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片。它工作在2.4 GHz ISM頻段，擁有104dB鏈路預算，-101 dB的接收靈敏度和3 dB的傳輸功率，從而減少網(wǎng)絡(luò )中所需節點(diǎn)設備的總數，大大降低了IEEE 802．15．4系統的組網(wǎng)成本。所有RF關(guān)鍵器件(除了天線(xiàn)、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。由該芯片所構成的設備僅需6個(gè)外部組件，功能框圖如圖2所示。終端節點(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1．8～3．6V，內部有集成的1．8V LDO。AT86RF230內部有35個(gè)可以通過(guò)SPI控制時(shí)序訪(fǎng)問(wèn)的8位寄存器，工作時(shí)有8個(gè)基本狀態(tài)(可以根據需要擴展為14個(gè))。片內發(fā)送數據和接收數據的緩沖分別為129字節和130字節，正好可以滿(mǎn)足IEEE802．15．4協(xié)議規定的最大幀長(cháng)度127字節的要求。發(fā)送時(shí)需要加2字節的 CRCl6校驗碼，接收時(shí)還要多加1字節的鏈路質(zhì)量指示。

　　1．2 網(wǎng)絡(luò )設備的硬件電路構成

　　硬件主要部分原理圖如圖3所示，模塊的數字接口為ATmega128l與 AT86RF230之間的SPI接口以及其他4條控制線(xiàn)。AT-megal28l是Atmel公司的8位高性能的AVR單片機。其基本特征有：采用 RISC構架，具有135條指令，工作在16MHz時(shí)吞吐率可達16MIPS；片內具有128 KB Flash、4 KB片內E2PROM和8 KB SRAM，可以通過(guò)ISP或JTAG下載程序；工作頻率最高可達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。在本設計中ATmegal281工作于內部為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，那么CLKM引腳應接到ATmegal281的XTAL1腳上，并且熔絲位要設置為外部時(shí)鐘。AT86RF230的各種工作狀態(tài)中斷信號由IRQ腳控制，這里接到ATmegal28l的ICPl腳產(chǎn)生捕獲中斷，因為捕獲中斷可通過(guò)設置噪聲消除方式來(lái)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(xiě)時(shí)序、狀態(tài)轉換圖及各種中斷控制的具體方法可以參閱參考文獻。還需注意，AT86RF230所接外部晶振X1的長(cháng)期工作頻率穩定度要小于等于40 ppm，并根據晶振和芯片的驅動(dòng)能力選擇合適的負載電容。

　　對于模擬部分設計，為了降低其他部分的干擾，提高RF性能，需要采取抗干擾措施。例如，模擬電源輸入端增加磁珠或電感；AT86RF230模擬地和數字地要分開(kāi)布線(xiàn)，并在一點(diǎn)接地；為了減小分布參數的影響，鋪地要盡可能大，并且要適當打上過(guò)孔；濾波用的電容也要盡量靠近芯片。另外，要注意阻抗匹配， AT86RF230天線(xiàn)端口為2路100Ω的差分輸出，可直接接差分饋電的天線(xiàn)，但缺點(diǎn)是阻抗匹配和測試都比較困難，一般可以用巴倫把2路100Ω的差分輸出變換成一路50Ω輸出，然后接各類(lèi)單端饋電的天線(xiàn)。在控制RF信號輸出腳PCB導線(xiàn)的阻抗時(shí)，可以采用圖4所示的模型。

　　根據選定參數使用Agilent公司提供的免費軟件Ap-pCAD，進(jìn)入Passive Circuits界面選擇相應模型。本設計選用Coplanar Waveguide模型，輸入參數后便可計算出饋線(xiàn)的特性阻抗。若根據計算結果設計出的饋線(xiàn)實(shí)際測試情況阻抗達不到50Ω，則可以通過(guò)增加電感L2，及相應電容C1或C2來(lái)實(shí)現50Ω匹配。天線(xiàn)選型方面既可選用雙端100Ω的差分天線(xiàn)，也可選用50Ω的單端天線(xiàn)，只要按需增建雙端到單端變換的巴倫即可。使用偶板子或F型的PCB天線(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)是可以獲得相對較高的增益，抗干擾能力強；片狀天線(xiàn)體積小，但增益不高，易受干擾。

　　2 軟件設計

　　軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為AVRSTUDIO+AVRGCC。這兩個(gè)軟件均是免費的。軟件設計主要包括射頻驅動(dòng)、外圍電路控制和ZigBee協(xié)議棧設計3個(gè)部分?；贗EEE802．15．4協(xié)議的WPAN網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器和網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的軟件流程基本相同，只是網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器要承擔網(wǎng)絡(luò )建立的功能，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)則要承擔一些控制或測量的功能。為了與其他ZigBee產(chǎn)品相兼容，軟件設計必須嚴格遵守IEEE 802．15．4協(xié)議。本設計建立的網(wǎng)絡(luò )拓撲是非超幀結構的星形網(wǎng)絡(luò )，具體軟件流程如圖5所示。

　　基本過(guò)程為：網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器首先初始化WPAN信息數據庫，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò )，分配網(wǎng)絡(luò )ID號和16位網(wǎng)絡(luò )地址，初始化鄰居設備表，然后等待其他節點(diǎn)連接；網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上電后，初始化內部資源、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的WPAN信息數據庫，發(fā)送掃描信號請求連接，連接成功后，記錄下網(wǎng)絡(luò )ID和分配好的16位網(wǎng)絡(luò )地址，按功能設定向協(xié)調器發(fā)送信息。因為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)一般為電池供電，所以在空閑時(shí)要進(jìn)入休眠節能狀態(tài)。外圍電路控制主要是針對傳感器、開(kāi)關(guān)等器件的控制，可根據不同需求對軟件進(jìn)行相應的修改。

　　3 測試結果及總結

　　對ZigBee／IEEE 802．15．4網(wǎng)絡(luò )設備性能評估，主要是測試它的發(fā)射功率、頻譜的相位噪聲、臨近信道干擾和通信距離等。因為AT86RF230沒(méi)有純載波的輸出模式，只能通過(guò)測試調制信號頻譜來(lái)分析輸出功率和最大增益點(diǎn)對應頻偏。圖6為第11信道2．405 GHz的調制信號輸出頻譜，從中可以看出最大功率所對應的頻點(diǎn)。在空曠環(huán)境中測試，距離150 m時(shí)通信的誤碼率可小于1％。系統在發(fā)射狀態(tài)下耗電為23．7 mA，接收時(shí)為21．78mA，休眠狀態(tài)下僅為2．5μA。實(shí)驗結果證明，本文設計的基于A(yíng)T86RF230收發(fā)器的WPAN網(wǎng)絡(luò )設備具有容錯性高、性能優(yōu)越、超低功耗、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足多種場(chǎng)合實(shí)際需求。通過(guò)不斷完善軟硬件設計，相信本系統的各項性能指標還可進(jìn)一步提升。