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基于MC13213的单芯片ZigBee平台的物理层协议研究与实现

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ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,该技术基于IEEE 802.15.4标准,由成立于2001年8月的ZigBee联盟提出。2004年12月,ZigBee联盟制定了ZigBee SpecificationV1.0。至今ZigBee技术已经得到了广泛的发展和应用。目前,我国绝大部分的ZigBee硬件都是由国外厂商设计和生产的。早期的ZigBee硬件都是微控制器(MCU)和IEEE 802.15.4射频芯片分离的。随着片上系统(SoC)的出现,ZigBee硬件也发展到了在一个芯片内部集成了MCU和射频芯片,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开发者对硬件射频电路的要求,加速了ZigBee系统的开发,同时具有较高的稳定性和可靠性。

为了更好地推广应用ZigBee,本文对物理层协议及编程方法进行了深入研究。物理层是ZigBee的关键技术,完整的ZigBee协议包括应用层(APL)、网络层(NWK)、媒介接入控制层(MAC)和物理层(PHY)等。物理层通过操作底层硬件为上层提供服务接口,因此物理层的稳定可靠关系到整个协议栈的健壮性,是其他层设计的基础。

采用嵌入式构件化的设计方法,可提高物理层设计的可移植性和可重用性,目前很少有人做这方面的工作。本文采用射频片上系统(SoC)——MC13213设计了一个较通用的单芯片ZigBee硬件平台,分析和实现了ZigBee协议物理层,按照构件化的方法进行设计,并对构件进行了详细的测试,这不仅为基于物理层的简单应用提供了方法,而且为后续的MAC层的应用打下了基础。

1 ZigBee物理层功能概述

ZigBee工作在免申请的工业科学医疗频段。IEEE 802.15.4标准中定义了两个可用的物理层:基于2.4 GHz频段的"短距离"实现和基于868/915 MHz频段的"长距离"实现,两者都使用直接序列扩频(DSSS)技术。中国目前的ZigBee工作频段为2.4 GHz。

ZigBee物理层通过射频固件和射频硬件为MAC层和物理无线信道之间提供了服务接入点SAP(Service Access Point)。

IEEE 802.15.4定义的物理层参考模型如图1所示。其中PD-SAP(PHY Data Service Access Point)是物理层提供给MAC层的数据服务接口,PLME-SAP(Physical Layer Management Entity-Service Access Point)是物理层提供给MAC层的管理服务接口,RF-SAP是由底层无线射频驱动程序提供给物理层的接口。

物理层主要完成以下工作:激活和禁用射频收发器,对信道进行能量检测ED(Energy Detect),提供所接收数据包的链路质量指示LQI(Link Quality Indication),空闲信道评估CCA(Clear Channel Assessment),信道频率选择,数据发送和接收等。

2 MC13213单芯片ZigBee物理层编程结构

Freescale公司推出的单芯片ZigBee解决方案——MC13213采用SoC技术,在9 mm×9 mm的LGA封装内集成了HCS08 MCU和遵循IEEE 802.15.4标准的第二代无线射频收发器MC1320x[3-4] (后文中将用MCU和Modem分别代表MCU模块和射频收发器模块)。具有4 KB的RAM、60 KB的Flash,1个串行外设接口(SPI),2个异步串行通信接口(SCI),1个键盘中断模块(KBI),2个定时器/脉宽调制TPM(Timer/PWM)模块,1个8通道10位的模数转换器(ADC),以及多达32个的GPIO口等[5]。Modem内部已经集成了功率放大器PA(Power Amplifier)、低噪声放大器LNA(Low Noise Amplifier)和收/发开关(T/R switch),这在很大程度上降低了系统成本和射频电路的设计难度。

2.1 Modem与MCU的交互方式

Modem可以通过SPI接口、IRQ中断请求以及几个状态和控制信号与主控MCU实现交互,如图2所示。

作者:吴瑾 潘启勇 王宜怀 来源:电子技术应用

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