MT-ZigBee硬件平台的设计

mt-ZigBee硬件平台设计0引文IEEE技术是具有集成技术标准的短、低速率无线通信技术，其中物理层和介质访问控制层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层是由IEEE技术联盟开发的，应用层是根据用户的实际应用要求开发和设计的。在ZigBee协议设计和开发之前，必须有适当的硬件平台支持，在此为ZigBee协议栈实现提供适当的硬件平台设计。本文重点介绍了mt-ZigBee硬件平台的设计和每个硬件模块的测试。硬件平台的设计主要包括硬件平台选择、ZigBee控制电路的硬件设计和ZigBee RF电路部分的硬件设计。硬件平台测试主要包括对每个硬件模块的测试。1 ZigBee硬件方案在ZigBee技术联盟中，Freescale、TI、Chipeon、Philips等都是ZigBee标准制定的先驱。射频传输和接收芯片领域主要有两种主要解决方案，freesealement的MC13192MC13192、MC13193和Chipeon public Chipeon的CC2420CC2420和CC2430。下面简单地比较了这两种可选硬件开发方案。Freescale展示了针对ZigBee技术的完整硬件解决方案，包括MC13192和MC13193 RF (Radio Frequenee ee，RF)传输和接收芯片。与RF端兼容的低功耗HCS08核心MCU；相关传感器等。MC13192、MC13193是符合IEEE 802.15.4标准的RF数据调制解调器，在2.4ghz频带中工作，通过MCU和标准4线SPI接口通信，使用16个RF通道，数据速率为250 kb/秒。与HCS08核心MCU一起使用，可提供低成本、低功耗、经济实惠的ZigBee硬件平台解决方案。挪威半导体公司Chipcon推出的CC2430 RF芯片是世界上第一个符合ZigBee技术标准的2.4ghz RF芯片，它继承了CC2420的体系结构。CC2430相容于含8051核心的无线微控制器IEEE802.15.4标准。在单个芯片上配置ZigBee RF前端、内存和微控制器。CC2430还内置模式/编号转换器(ADC)、计时器、AES-128协处理器、监视坞、32 kHz晶体时钟、电源重置电路、断电检测电路和21个可编程I/o接口。Freescale公司提供详细的芯片文档、参考设计、布线设计等文档指导，为构建硬件平台提供了良好的开发环境。在现有的ZigBee硬件解决方案中，Freescale提供的解决方案MC9S08GB60和MC13192已选择。以此方案为背景，开发了mt-ZigBee mt-ZigBee硬件平台。2 mt-ZigBee硬件平台设计mt-ZigBee硬件平台的设计主要包括硬件平台选择、ZigBee控制电路的硬件设计和ZigBee RF电路部分的硬件设计。2.1选择硬件(1)选择主MCU。本文考虑到芯片内部集成功能模块、RAM和FLASH的存储容量、芯片和开发环境的熟悉程度，选择了Freescale生产的S08系列8位MC9S08GB60(以下简称GB60)作为平台的主芯片。HCS08核心，最高汇流排频率40mhz内部有64 KB的闪存和4 KB的FLASH存储空间。内部集成了一个SPI模块，适用于与MC13192的通信。两个SCI模块，便于与PC通信；背景除错模组。HCS08内核的系列MCU易于单线写入和调试，从而加快开发速度，大大减少调试困难。(2)选择物理层芯片。为了设计低成本、低功耗、经济实惠的ZigBee硬件平台，我们选择了MC13192芯片作为与HCS08核心MCU配合使用的ZigBee物理层芯片。MC13192是Freescale于2005年推出的工作中，适用于短距离、低功率、工业、科学和医疗(ISM)的无线数据收发器。MC13192和MCU的接口很简单，只有4行SPI、1个IRQ中断请求行和3条控制线。2.2 mt-ZigBee硬件平台设计mt-ZigBee硬件平台主要包含主控制MCU支持模块。外部输入部分包括电源输入模块和键击。MC13192射频通信模块；SCI串行通信模块；操作状态显示模块和现场数据收集模块，完整的硬件方框图。键击、SCI串行通信模块、液晶屏和活动指示灯模块因地面问题不再进行说明。下面重点介绍电源输入模块、MCU支持模块、GB60和MC13192接口电路以及MC13192无线RF通信模块的硬件设计。2.2.1电源输入模块无线传感器网络主要用于收集和适当控制现场数据。设备都安排在提货现场，考虑到便于搬运、安装，电源使用第1节9 V电池。在硬件电路中，电源分为两种方式：一个是单独提供给主机芯片GB60的电源。另一种方法是为所有外围模块(液晶屏、MC13192、SCI、键入和测试小灯泡)供电。特定电源电路。在电源电路中，主芯片电源在任何情况下都存在。因此，GB60可以在任何情况下工作；外围模块电源由主控制芯片控制，GB60通过MOS管控制外围模块电源。GB60允许在系统正常工作时打开外围模块电源。当系统进入低功耗状态时，GB60将切断外围模块的电源。这将进一步提高整个系统的低功耗，因为整个系统仅向主控制芯片供电，主控制芯片将再次进入低功耗模式。不能直接使用常规晶体管(例如SI2301)来切断周围模块的电源，因此进入低功耗状态后，周围模块仍会消耗大量电流，因此应使用具有良好电流切断性能的MOS管(例如si 2301)。2.2.2gb60和MC13192接口电路设计GB60和MC13192接口电路。GB60和MC13192具有9个连接接口，主要包括4个SPI通信接口、IRQ中断接口、3个MC13192控制端口和MC13192时钟输出针。其中，对于4线SPI，根据参考手册，如果SPI状态与控制寄存器的模式错误标记(MODF)有效，并且设置为1，则插针只能单独用作I/o端口。在此设计中，GB60是SPI主机，直接用作输出端口以控制MC13192的CE激活信号。G1360通过标准4线SPI接口在MC13192的寄存器、片上RAM读写中实现。通信时，MC13192只能作为发送器工作，因此对于MCU，MOSI线是发送电缆，MISO线是接收电缆，SPI上的同步时钟将GB60连接到SPSCK针脚，MC13192上的SPICLK。MC13192的IRQ针脚连接到GB60的IRQ针脚，MC13192发生的所有中断事件直接反映在GB60上。当GB60从MC13192接收到外部中断时，查询中断标志寄存器以确定生成的中断事件，并正确处理。在GB60到MC13192的3个控制端口中，ATTN针用于MCU，MC13192从低功耗模式唤醒，RXTXEN针用于支持MC13192的收发器。通常，为了降低功耗，RF芯片上的收发器全部关闭，仅在发送和接收数据时有效，从而显着降低RF芯片上的功耗。MCU还可以通过RST针脚对MC13192进行硬件重置，前提是RF芯片工作异常。MC13192的时钟输出针脚CLKO直接连接到GB60的EXTAL针脚，因此GB60不需要外部晶体电路的支持，直接采用MC13192的时间源即可。此时钟源可编程，可提供8种时钟频率：16 MHz、8 MHz、4 MHz、2 MHz、62.5kHz、32.768 kHz、16.393 kHz。2.2.3 MC13192无线射频通信模块设计Rf电路的设计是硬件设计中最复杂的部分。这部分对PCB的材料、电阻电容器的准确度、电路的行驶线路等要求高，其参数选择直接影响RF电路的质量。Rf电路旨在参考Freescale、Microchip等提供的参考范例，以进行设计开发。(1)MC13192支持的电路设计。MC13192的支持电路具有电源电路、滤波电路和晶体电路的逻辑连接。VBATT和VDDINT是电源输入针脚，MC13192的正常工作电压为2.0至3.6 v，必须连接4.7 f的稳压器。VDDA、VDDL01和VDDL02是整流模拟电压，100 nF的滤波器电容器必须在旁边。VDD是经过内部整流的数字电压，旁边有220 pF的过滤电容器。VDDVCO为VCO电路供电，220 pF的电容必须在旁边。XTAL1和XTAL2外部16 MHz是2.4ghz RF电路的专用结晶，具有1O pF的旁路电容。(2)天线电路设计。2.4ghz RF电路的天线有三种类型：外部直立天线、PCB天线和芯片天线。外部直立天线的性能最佳，但只有在尺寸太大，对体积没有要求的情况下才应使用。芯片天线使用集成电路实现，性能一般，难以根据实际性能调整性能。PCB天线具有体积大的优点，但对设计和PCB布线的要求较高，最常用于无线传感器网络的硬件平台。图5是天线电路的结构图。RFIN-和RFIN是接收信道，两个18 pF的电容器过滤高频干扰信号，0.5pf的电容防止空位干扰。PAO-和PAO是两个脚和VDDA连接在一起的发射通道，以提供发射通道所需的能量。3 MIT-ZigBee硬件平台模块测试硬件电路设计完成后，必须测试每个模块的硬件电路，以确保硬件电路的可靠性。对于整个硬件电路，必须逐个焊接、调试和按模块调试，然后一起调试。硬件PCB设计需要预留特定的测试节点，以便以后测量使用情况。mt-ZigBee主要模块的基本测试过程如下：(1)测试电源模块。先在空白PCB板上焊接电源模块的相关组件，通电后使用万用表直接测量电源的输出点，以确保其他模块工作正常所需的电压值。(2)单片机部分测试。如果电源模块工作正常，则必须测试GB60是否工作正常。MCU的测试主要是通过BDM刻录机与GB60通信，以确保正常擦除和写入操作。如果不能正常工作，则应仔细检查MCU支持电路和电阻、电容的值是否正确，尤其是确定电路的各个部分。GB60包含4 MHz的内部时钟源，周围电路较少，因此调试更容易。(3)测试MC13192模块。MC13192 RF模块测试主要通过读取和写入内部寄存器和缓冲区来完成。(4)测试其他外围模块。串行通信(SCI)是通过PC的默认发送和接收。测试小灯泡模块，通过MCU将相应的I/o端口设置为不同的值，以查看相应的小指示灯是否