引言

据预测,嵌入式无线监控网络的市场将会有突破性的增长。其典型的应用领域为商住及住宅建筑自动化,工业监控,资产追踪,环境监控以及其他控制及传感器应用。ZigBee就是符合以上系统的无线网络标准。对于ZigBee的市场,SoC(系统芯片)解决方案将变得越来越重要。因为SoC可以大大节省ZigBee节点的成本。

功耗及单元成本的降低是目前短距离无线通信RF-IC开发的主要原动力。采用具有高性价比的亚微级CMOS技术和高集成度的发射接收结构是实现以上要求的关键因素。而且,基于CMOS的技术可以更好的发展无线通信SoC。这些集成电路把射频收发器、微控制器、数据和程序存储器以及外围单元都集成到了同一个硅片中。

在ZigBee所强调的市场中,由于SoC可以节省整个系统的成本,因此其地位也将越来越重要。另外,SoC还具有更多的优点,如占用较小的PCB空间,易于组装、测试,提高了系统的可靠性,降低了外部杂散噪声。而且,ZigBee SoC另一个重要特点就是其RF收发器可以有效地与MCU融为一体,成为其外围单元,这一点使得其开发大大易于使用两颗独立芯片的解决方案。

对于大多数的ZigBee系统来讲,低功耗是最基本的要求。因此,ZigBee SoC具有低有效电流消耗是极为重要的。同时,超低功耗的睡眠模式及较短的从睡眠模式切换到工作模式的时间也相当重要。例如,一个ZigBee灯控开关（一个典型的ZigBee终端设备）在大多数的情况下工作在无信标模式并且只有在中断信号来时发送数据,如按一下开关。

大量的节点/传感器是无线监控系统的典型需求。这一点也使得无线解决方案成为必要,由于传感器节点需要在廉价的电池上工作几年,因此要求他们必须具有很低的功耗。此外,传感器节点所发送的数据有限,因此通信链路的数据传输速率也并不用太高。显然,通信链路需要安全可靠,并且通讯解决方案的成本要足够低才能赢得所期待的市场增长。

现今大部分的无线监控系统都是使用专有解决方案。然而,对于一个系统开发者来讲,基于一个像ZigBee这样具有公共标准的开发平台来开发、设计应用才更有益处。ZigBee只是基于射频的网络标准,主要满足无线监控网络系统的不同需要。ZigBee规范是建立在IEEE 802.15.4  的媒体接入层(MAC)和物理层(PHY)标准之上,提供网络及应用支持。

终端产品的设计者使用ZigBee可在标准的应用架构上搭建自己的应用,而无须解决采用个人专有网络所带来的繁杂的射频及网络问题。采用已通过测试的符合ZigBee规范的开发平台将更进一步的减少系统开发成本,缩短产品面世的时间。最终,由于IEEE802.15.4提供的2.4GHz标准射频接口,使得终端产品的制造商可以从厂家获得全球性的解决方案和供应商。2.4GHz ISM(工业、科学、医疗)波段是全球免申请波段。

ZigBee/IEEE802.15.4

ZigBee联盟于2004年12月通过了ZigBee规范。它是针对低功耗、低成本无线嵌入式网络而制定公开的,全球的标准。表1中列出了一些ZigBee 解决方案 适合的应用领域：

表1  ZigBee应用领域

ZigBee是建立在IEEE802.15.4定义的可靠的物理层(PHY)和媒体接入控制层(MAC)之上的标准。并且在PHY层和MAC层之上定义了具有数据安全特性和互操作应用界面的网状网、星状网和集群树状网络拓扑结构。

众所周知,像Bluetooth和WLAN这样的标准是不适合用于低功率嵌入式传感器网络应用中的。这是因为这些标准都需要较高的节点成本及复杂且耗电的RF-ICs和协议。然而,ZigBee却是唯一一个明确定位于无线监控应用典型需要的标准。 

*    大量的节点/传感器使无线解决方案成为必要 
*    极低的系统/节点成本 
*    使用廉价的电池可工作数年;这需要极低功耗的RF-ICs和协议。 
*    节点间的链路必须安全可靠 
*    网络必须易于配置 
*    传感器节点所发出的信息总量有限,因此所需通信链路的数据传输速率也处于较低或中等水平。 
*    低占空比的定期发送或间歇性发送(低功耗)是该网络通信的特点,传感器节点通常会保持长时间的静止状态。 
*    提供全球性的解决方案

表2 进行了ZigBee 与Bluetooth和WLAN的比较,从表中可以看出这些标准在很大程度是相互补充的。例如,Bluetooth 适合于ad-hoc网络,可以取代电缆,再如手机的无线手持解决方案,传输图形/图片和中等大小的文件。WLAN适用于传输或下载大数据量的文件。而ZigBee适用于传输以静态为主,节点繁多但每个节点仅需以较低的占空比发射有限数据的网络。

表2  ZigBee与 WLAN 和 Bluetooth的比较



IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4标准定义其物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)即可用于全球统一的2.4GHz波段上也可以用于具有区域性的868MHz或915MHz波段上。

IEEE802.15.4 中无线信道的接入方式采用载波监听多路检测-碰撞避免(CSMA-CA)。支持
竞争模式和非竞争模式两种接入方式。IEEE802.15.4标准使用64位的IEEE地址和16位网络地址,理论上提供了每个网络高到65536个节点。

IEEE 802.15.4所规定的数据传输调制方式描绘如下：每一个数据字节的低四位和高四位分别经由16位伪随机序列调制,形成32码片的数据流。每个码片会转换成一个半正弦波进入数字偏置四相相移键控(offset-QPSK)调变器,这样的处理方式提供了具有250Kbps数据传输率和2Mchip/s传码率的高效的直接序列扩频(DSSS)调变。这种恒定包络调制方式可等效为最小频移键控以达到相关非线性功率放大器设计简单,低成本的效果。

PHY所包括的功能有接收强度监测(ED),链路质量指示(LQI)和空闲信道评估(CCA)。

IEEE 802.15.4 MAC子层的作用:
·    初始化 个人区域网络(PAN)
·    在网络中发射信标(可选)
·    信标同步(可选)
·    网络的建立及断开
·    支持MAC层安全(AES-128 加密)
·    信道接入使用CSMA-CA机制
·    数据包应答及重发
·    FCS(Frame Check Sequenc)计算与检测
·    在两个同等MAC实体间提供可靠的链路。即为进行传输数据,提供具有可靠链路的高层（如ZigBee网络层）。

ZigBee 规范

ZigBee规范是由ZigBee联盟制定的,它定义了基于IEEE802.15.4PHY和MAC层之上的网络,安全及应用层。ZigBee联盟同时也制定了互操作性和兼容性测试的规范。

ZigBee网络层主要功能是发现设备并建立设备间无线链路,其网路层支持三种网络拓扑结构,星状网,网状网(对等)和集群树状网结构(图1)。

网状网具有较高的可靠性和可控性,因此可以提供不止一条的网络路径。像这样的网络还具有所谓的“自修复”功能。例如,如果一个路由器节点出现故障,数据将由网络中可选的其他路由器传送,前提是路由器节点的密度足够大（即有冗余路径）。

 
图1  ZigBee 网络类型

ZigBee网络的建立是非常简单的,因为网络的形成是自动完成的。此外,ZigBee网络还具有很好的可控性。

IEEE802.15.4 定义了两类设备类型;精简功能设备(RFD)和全功能设备(FFD).在ZigBee系统中,这两类设备指的是物理设备类型。

在ZigBee网络中,一个节点可以有三种角色：ZigBee协调器,ZigBee路由器,和ZigBee终端设备。这些是ZigBee的逻辑设备类型。

ZigBee协调器的主要职责是建立网络并设定他们的主要参数。(例如,选择射频通道,分配不同的网络地址)。它可以通过ZigBee路由器来延伸网络的通信范围。这些路由器也可作为由于距离太远而无法直接通讯的两个设备间的中继器。ZigBee的终端不参与传递。

FFD可以与RFD或其他FFD通讯,但RFD却只能与FFD通讯。RFD是为了极其简单的应用而设计的,如灯的开关或被动红外传感器;他们并不需要发射大量的数据,只是某一时间需要与一个FFD进行通讯。因此,RFD只需要使用最少的资源和存储器空间,与FFD相比拥有较低的成本。FFD可以用来实现ZigBee三种逻辑设备类型但RFD只能充当终端设备。

为Zigbee 应用设计的一颗真正的SoC 

CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本,低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。

图2  CC2430 IEEE 802.15.4/Zigbee SoC方框图

CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块,并且有3种不同的版本,他们是根据不同的闪存空间32,64和128kByte来优化复杂度与成本的组合。

CC2430的尺寸只有7×7mm 48-pin的封装,采用具有内嵌闪存的0.18µm CMOS标准技术。这可实现数字基带处理器,RF、模拟电路及系统存储器 整合在同一个硅晶片上。

图2展示了CC2430的方框图。CC2430最要的子系统是MCU 子系统和射频部分,其中MCU包括存储器及外设。其他模块提供电源管理,时钟分配和测试等重要功能。

MCU和存储器子系统

针对协议栈,网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求,CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核,运行时钟32MHz。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式,使得使用标准8051指令集的CC2430增强型8051内核,具有8倍的标准8051内核的性能。

CC2430包含一个DMA控制器。8k字节静态RAM,其中的4k字节是超低功耗SRAM。32k,64k或128k字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。

CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器,一个16MHz RC-振荡器,一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHz RC 振荡器。

CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC2430,以支持IEEE802.15.4 MAC 安全所需的（128位关键字）AES的运行,以实现尽可能少的占用微控制器。

中断控制器为总共18个中断源提供服务,他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口,该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。

CC2430包括四个定时器：一个16位MAC定时器,用以为IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定时以及为IEEE802.15.4的MAC层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器,支持典型的定时/计数功能,例如,输入捕捉、比较输出和PWM功能。

CC2430内集成的其他外设有:
实时时钟;上电复位;8通道,8－14位ADC;可编程看门狗;两个可编程USART,用于主/从SPI或UART操作。

为了更好的处理网络和应用操作的带宽,CC2430集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE802.15.4 MAC协议,以减轻微控制器的负担。这包括： 
*    自动前导帧发生器 
*    同步字插入/检测 
*    CRC-16校验 
*    CCA 
*    信号强度检测/数字RSSI 
*    连接品质指示(LQI) 
*    CSMA/CA 协处理器

射频及模拟收发器

CC2430的射频和模拟部分实现了相关物理层的操作,如图3所示。

 
图3  CC2430 SOC的RF 和 模拟 部分

CC2430的接收器是基于低-中频结构之上的,从天线接收的RF信号经低噪声放大器放大并经下变频变为2MHz的中频信号。中频信号经滤波、放大,在通过A/D转换器变为数字信号。自动增益控制,信道过滤,解调在数字域完成以获得高精确度及空间利用率。集成的模拟通道滤波器可以使工作在2.4GHz ISM波段的不同系统良好的共存。

在发射模式下,位映射和调制是根据IEEE 802.15.4的规范来完成的。调制(和扩频)通过数字方式完成。被调制的基带信号经过D/A转换器再由单边带调制器进行低通滤波和直接上变频变为射频信号。最终,高频信号经过片内功率放大器放大以达到可设计的水平。

射频的输入输出端口是独立的,他们分享两个普通的PIN引脚。CC2430不需要外部TX/RX开关,其开关已集成在芯片内部。芯片至天线之间电路的构架是由平衡/非平衡器与少量低价电容与电感所组成。可替代的,一个平衡式天线,如对折式偶极天线也是可以实现上述功能的。图4展示了CC2430的典型应用电路。集成在内部的频率合成器可去除对环路滤波器和外部被动式压控振荡器的需要。晶片内置的偏压可变电容压控振荡器工作在一倍本地振荡频率范围,另搭配了二分频电路,以提供四相本地振荡信号给上、下变频综合混频器使用。

应用设计

CC2430的特性已超越了 IEEE802.15.4的规范,在选择性和灵敏度上具有优异的性能,使得在 2.4GHz ISM 波段上的不同设备更好的共存。并且在长距离范围内也可提供可靠的通信。

图4  CC2430 应用电路 
 
CC2430工作时的功耗很低,因为他结合了集成模块的低功耗特点,并根据不同的功率要求定义了四种不同的负载功率模式,且不同模式之间的转换切换速度很快。在数字部分,时钟分块控制技术用来减少动态的功率消耗,如果模块处于非激活状态,可以用关断电源的方法来获得超低的静态功耗(漏电所致)。

CC2430具有优异的射频性能和低功耗的特性。他具有充分的处理器带宽和存储器空间无论是对于ZigBee网络还是类ZigBee网络节点,包含协调器,路由和终端设备。(CC2430也适用于2.4GHz DSSS的专属网络或符合802.15.4的解决方案.)

CC2430具有广泛的应用,如建筑自动化,工业监控系统,无线传感器网络等。CC2430显示出了极高的性价比,使OEM可以简单快速地开发出复杂的无线网络产品,并且在系统中像使用单节点设备一样的可靠,因此,大大降低了产品进入市场的时间和产品的成本。