基于MCl322x的ZigBee应用技术

时间：2009-03-10 08:13:02 来源：国外电子元器件 作者：任勇

1 引言
    目前众多的无线网络技术中，ZigBee技术作为一种新兴的无线网络技术，在工业控制、消费电子等领域以及科研开发中得到了关注和使用，显示出其强劲的应用势头。ZigBee是一种低功耗、短距离和低速的无线网络技术，可以工作在2．4GHz周际免执照的频率，在IEEE标准中，它和无线局域网、蓝牙同属802家族中的无线个人区域网络．ZigBee由两部分组成，物理和链路层符合IEEE802．15．4，网络和应用层符合ZigBee联盟的规范。ZigBee联盟是在2002年成立的非盈利组织，包括TI、霍尼威尔、华为在内两百多家成员。ZigBee联盟致力于推广兼容802．15．4和ZigBee协议平台，制定网络层和应用架构的公共规范，希望在楼宇自动化、居家控制、家用电器、工业自动控制和电脑外设等方面普及ZigBee标准。常规的ZigBee无线控制应用通常需要一个微控制器和一个符合ZigBee-规范的无线收发器来协助完成目标应用，它们是分离的，电路连接复杂，元器件繁多，使得整个无线系统无法达到现代控制应用的嵌入式、微型化和片上性要求。

2 ZigBee技术的集成化发展
   为改进传统无线技术的应用，越来越多的无线网络器件和无线网络解决方案在向集成SoC(System onchip)方向发展，目标就是片上集成高性能微控制器和无线网络收发器．形成了一种单芯片无线网络平台或无线单片机的新型解决方案。目前，先进的SoC技术正在无线应用领域发挥着重要的作用。德州仪器的CC2430是市场上首款SoC的ZigBee单片机，它把协议栈Z-Stack集成在其内部的Flash里面，具有稳定可靠的CC2420收发器、增强性的8051内核、8 KRAM，外设有I／O接口、A／D转换器、SPI、UART和AESl28安全协处理器，3个版本分别是32 K／64 K／128K的Flash。以128K为例，除了基本Z—Stack协议，还有3／4的空间留给应用代码，将完整的ZigBee协议和近1／2的空间留给应用代码，这样的无线单片机除了处理通讯协议外，还可完成一些监控和显示任务，而且支持通过SPI或UART接口与通用单片机或嵌入式CPU连接。CC2480新一代单片ZibBee认证处理器就展示出和TI MSP430通用的低功耗单片机相结合的完美性能。
   Freescale的无线网络产品同样是向更高集成度的片上系统发展。作为ZigBee技术的创立者之一，Freescale在这一领域以完整地ZigBee平台方案在业界领先。此前，FreescaleZigBee产品和解决方案MCl319x已获得巨大成功和广泛应用，可满足各种应用需求，但必须与一个微控制器配合使用；后来的MCl32lx系列器件是基于MCl319x系列的第二代产品(2006年)，但已集成了HCS08微控制器核心，体现了ZigBee技术高集成度的SoC特性。MCl322x系列是Freescale最新推出的ZigBee解决方案。
    FreescaleMCl322x系列是第三代ZigBee产品，采用乎台级封装PiP技术(PiP，Platform inPackage)，MCl322x不仅集成有ZigBee无线收发器和高性能微控制器MCU与一体，更令人瞩目的是，PiP技术是更全面的SoC集成，比如内部集成了RF匹配组件、不平衡变压器，RF连接减少到只需晶体和天线。MCl322x同样符合IEEE802．15．4标准的产品系列，它保持了卓越的射频性能和整合的应用设计架构，减少了外部组件，也减少了材料清单和总开发成本，是高密度低元件数无线应用的综合解决方案。应用此类ZigBee平台，只需简单设计，无需考虑射频部分布线问题，还可自行开发软件平台。

3 Freescale MCl322x组成原理
   Freescale的MCl322x系列器件的尺寸仅为9．5 mmx 9．5mm×1.2mm，采用99引脚LGA封装，内部集成有完整的低功耗2.4 GHz无线收发器和基于32位ARM7CPU核的MCU。目前MCl322x系列共有MCl3224和MCl32252个版本。图1给出MCl322x组成原理框图。其中符合ZigBee标准的收发器(IEEE 802．15.4收发器)工作在2．4 GHzISM频段，16个可选频道；收发器包括低噪音放大器、lmW输出功率、带VCC)的功率放大器(PA)、集成的发送／接收(Tx／Rx)开关、不平衡变压器(Balun)、板内的电源稳压器、扩展调制／解调器、IEEE802．15．4 MAC硬件加速器和AES安全加密模块等。其与MCU内联，通过MCU进行控制管理。

   MCl322x内嵌微控制器(MCU)基于ARM7 TDMI—S 32位CPU，具有强大的处理能力，MCU典型工作频率为24MHz，最高可到26MHz。存储能力也有加强，MCU可自带128 KB Flash、96 KB SRAM和80 KBROM，这样的存储空间足够支持未裁剪的ZigBee协议栈所需的32KB存储空间以及其他复杂程序。内置的外设组件有8通道12位双A／D转换器、定时器、PWM、SCI、SPI、I2C、I2S以及多达64个GPIO端口。可以看出，MCl322x在单个芯片上整合了众多功能元件和无线匹配网络器件，体现了其极高集成度的SoC特性。

4 MCl322x的无线应用系统设计
4．1 应用构建
    同以往的ZigBee应用一样，MCl322x系列平台毋庸置疑地能够继续提供各种ZigBee无线连接支持，其应用范围包括：住宅和商业自动化，工业控制，消费电子，安全监控，照明控制，安全访问控制，暖通控制，空调系统，目动抄表系统，资产跟踪和监控，国土安全，过程管理，环境监测，健康护理，病人监护仪，健身监测，士兵联络，人机接口设备，远程控制，无线玩具等领域。
   基j*/IC1322x构建的无线连接拓扑，可以设计成点对点连接、星型连接、簇状连接和网状连接等，如图2所示。不同的应用可以选择不同的ZigBee无线连接结构和覆盖方案。比如家庭空调遥控器可使用点对点连接，煤矿瓦斯监控系统可选择簇状连接，森林防火监控系统可采用星型连接，小区集抄系统则使用网状连接。ZigBee无线网络中的无线节点，根据应用情况安排中心节点、协调节点或终端节点，节点也可设定为单向发送、单向接收或双向通信。通常，这种ZigBee无线网络还要通过中心节点与其他对象如PC主机、远程网络、互联网等进行数据通信，以便完善高级控制管理应用。

   从应用系统构建的复杂度、尺寸和元件数看，小体积封装中的无线收发器和微控制器的组合首先简化硬件电路，加之MCl322x直接集成有RF匹配组件、不平衡变压器等，使所用外围元件更少，进而可使电路板做到更小、可靠性更高。图3给出模块版图比较，图3(a)为原来使用双器件(MCl319x+MCU)的基础电路模块版图，图3(b)为第二代MCl319x基础电路模块版图，图3(e)为最新MCl322x基础电路模块版图，尺寸更小。实际上，图中使用MCl322x的电路板尺寸仅为11Omm2，RF所用外部组件只需外接晶体和天线。硬件设计异常简单，所以，有关RF的知识和难点可不予关注。

    (1)降低了无线应用系统的构建成本MCl3224的价格比第一代的MCl3192还要廉价，且不用另配MCU；加上必须的少量外围元器件，最终使用MCl322x构建的无线通信基本模块的成本极低的，是成本敏感应用的最佳解决方案。
    (2)降低了无线应用系统的能源消耗MCl322x的ZigBee技术是低电压、低功耗，MCU运行时的收发电流不足20mA，可使用一块纽扣电池或于电池，且电池寿命不再是问题，因为l节电池可使ZigBee器件运行长达20年。
    另外，MCl322x直接集成应用广泛、性能优越的ARM微处理器及其丰富的附属资源，为追求更低消耗、更多功能、更高要求应用产品的软、硬件开发提供了方便。
    缘于上述多方位的构建优势，具有先进、高效集成特性的Freescalge MCl322x系列器件是构建ZigBee，无线应用系统的基础。
4．2 硬件设计和软件开发
    高集成度的MCl322x器件，使得无线应用系统的硬件设计变得极为精简，图4给出设计的无线应用基础硬件电路。图中电源部分使用3．6V干电池供电；JTAG接口负责完成在线调试和程序下载；晶振电路需要两个晶体Xl、X2；RF无线发射／接收电路采用板上F型天线．发射与接收的切换通过MCU控制TX／RX开关来实现；开关SWl和发光管LED为简单人机交互手段；外来传感器输出的数字信号可传输至GPIO端口；还有一些引脚需要接地或悬空。在该电路的基础上可扩展众多实际应用电路，如键盘输入、LCD液晶显示输出、A／D转换等，其中MCU微处理器部分的扩展电路设计已属于成熟技术，不再赘述。
    基于MCl322x器件，ZigBee应用软件的开发主要是消化、修改并植入兼容ZigBee协议的FreescaleBeeStack协议栈，这是个重点和难点问题。Freescale的BeeKit无线连接工具箱，为客户提供了简单的软件开发流程，为了提高研制周期和开发效率，这里直接使用BeeKit集成开发环境。BeeKit是Freescale公司用于生成无线通信网络框架的一个工具，含有无线联网库、应用模板和样本应用的综合代码库。它提供了简便易用的接口和框架，可帮助开发人员为ZigBee应用创建、修改、配置参数，然后导出目标方案并导入到CodeWarriorIDE，最终下载到MCl322x。

5 结语
    在分析讨论现有ZigBee技术集成化发展的基础上，引入Freescale公司的高集成度、高性能的MCl322x系列第三代ZigBee平台，介绍基于MCl322x的ZigBee无线系统的构建技术和应用方法。实现了基于MCl322x，再加上很少的一些连接线和硬件资源，构建出符合ZigBee规范的无线控制器节点；同时，这种无线控制器具有功耗低、外围器件少、尺寸小、成本低、性能高的特点，是无线控制应用的一种精简解决方案。