MT-ZigBee硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1 ZigBee硬件方案
在ZigBee技術(shù)聯(lián)盟中，F(xiàn)reescale，TI，Chipeon，Philips等公司都是ZigBee標(biāo)準(zhǔn)制訂的先驅(qū)。在射頻收發(fā)芯片方面，主要有Freeseale公司的MC13192，MC13193和Chipeon公司的CC2420，CC2430所提供的兩大解決方案。下面簡(jiǎn)單比對(duì)這兩種可選的硬件開(kāi)發(fā)方案。
Freescale公司面向ZigBee技術(shù)推出了完整的硬件解決方案，其中主要包括MC13192，MC13193射頻(Radio Frequenee，RF)收發(fā)芯片；與RF端相配套的低功耗HCS08核MCU；相關(guān)的傳感器等。MC13192，MC13193是符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，它工作在2．4 GHz頻段下，與MCU通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI接口通信，采用16個(gè)射頻通道，數(shù)據(jù)速率為250 Kb／s。與HCS08核MCU配套使用，可提供低成本、低功耗、經(jīng)濟(jì)高效的ZigBee硬件平臺(tái)方案。挪威半導(dǎo)體公司Chipcon推出的CC2430射頻芯片是全球首顆符合ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz射頻芯片，它沿用了CC2420的架構(gòu)。CC2430兼容IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，具有8051核的無(wú)線單片機(jī)。其在單芯片上集成了ZigBee RF前端、存儲(chǔ)器和微控制器。另外，CC2430內(nèi)部還包含了模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時(shí)器、AES-128協(xié)處理器、看門狗、32 kHz晶振時(shí)鐘、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程I／O接口。由于Freescale公司提供了詳細(xì)的芯片手冊(cè)、參考設(shè)計(jì)、布線設(shè)計(jì)等文檔說(shuō)明，為硬件平臺(tái)的搭建提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。這里在現(xiàn)有的ZigBee硬件方案中選擇了Freescale公司提供的解決方案：MC9S08GB60和MC13192；并以此方案為背景設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了MT-ZigBee硬件平臺(tái)。

2 MT-ZigBee硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
MT-ZigBee硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，主要包括硬件平臺(tái)的選型，ZigBee控制電路的硬件設(shè)計(jì)和ZigBee射頻電路部分的硬件設(shè)計(jì)。
2．1 硬件選型
(1)主控MCU的選取。從芯片內(nèi)部集成功能模塊、RAM和FLASH的存儲(chǔ)容量、芯片和開(kāi)發(fā)環(huán)境的熟悉程度等方面考慮，本文選擇了Freescale公司生產(chǎn)的S08系列的8位MC9S08GB60(以下簡(jiǎn)稱GB60)作為平臺(tái)的主控芯片。HCS08核，最高總線頻率可達(dá)40 MHz；它內(nèi)部具有64 KB的FLASH和4 KB的RAM存儲(chǔ)空間；內(nèi)部集成了1個(gè)SPI模塊，適合與MC13192的通信；2個(gè)SCI模塊，方便與PC通信；具有背景調(diào)試模塊．能利用單線對(duì)HCS08核的系列MCU進(jìn)行方便地寫(xiě)入和調(diào)試，加快開(kāi)發(fā)的速度并大大降低了調(diào)試的難度。
(2)物理層芯片的選取。為了設(shè)計(jì)出低成本、低功耗、經(jīng)濟(jì)高效的ZigBee硬件平臺(tái)．這里選擇了與HCS08核MCU配套使用的MC13192芯片作為Zig-Bee物理層芯片。MC13192是Freescale公司于2005年推出的工作在2．4 GHz頻率下短距離，低功率，工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器。MC13192與MCU的接口簡(jiǎn)單，只需四線的SPI，1個(gè)IRQ中斷請(qǐng)求線和3個(gè)控制線。
2．2 MT-ZigBee硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
MT-ZigBee硬件平臺(tái)主要包括主控MCU支撐模塊；外部輸入部分有電源輸入模塊和按鍵輸入；MC13192無(wú)線射頻通信模塊；SCI串行通信模塊；運(yùn)行狀態(tài)顯示模塊和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊，整體的硬件框圖如圖1所示。其中按鍵輸入、SCI串行通信模塊、液晶及運(yùn)行指示燈模塊設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，由于篇幅問(wèn)題，不再敘述。下面重點(diǎn)介紹電源輸入模塊、MCU支撐模塊、GB60與MC13192接口電路和MC13192無(wú)線射頻通信模塊的硬件設(shè)計(jì)。

2．2．1 電源輸入模塊
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用于采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行相應(yīng)控制。設(shè)備均安放在采集現(xiàn)場(chǎng)，考慮到便于攜帶、安裝，供電電源采用1節(jié)9 V的干電池。在硬件電路上電源分為兩路：一路是單獨(dú)供給主控芯片GB60的電源；另一路是供給LCD、MC13192、SCI、按鍵和測(cè)試小燈等所有外圍模塊的電源。具體電源電路如圖2所示。

在電源電路中，主控芯片電源在任何情況下都是存在的．這樣保證任何情況下GB60都是工作的；外圍模塊電源受到主控芯片控制，GB60通過(guò)MOS管來(lái)控制外圍模塊電源：當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，GB60允許外圍模塊電源上電；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)時(shí)，GB60切斷外圍模塊電源．這樣整個(gè)系統(tǒng)只有主控芯片有供電，主控芯片再進(jìn)入低功耗模式(Stop Mode)，這樣就更好地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的低功耗。注意，在切斷外圍模塊電源時(shí)，不能直接使用一般的三極管，這樣進(jìn)入低功耗狀態(tài)后外圍模塊仍然有較大的電流消耗，應(yīng)該使用電流截止性能好的MOS管(如：SI2301)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2．2．2 GB60與MC13192接口電路設(shè)計(jì)
GB60與MC13192的接口電路如圖3所示。GB60與MC13192主要有9個(gè)連接接口：4根SPI通信接口、IRQ中斷接口、3根MC13192的控制口和MC13192時(shí)鐘輸出引腳。其中對(duì)于4線SPI，根據(jù)參考手冊(cè)指出，當(dāng)作為SPI主機(jī)方式，同時(shí)SPI狀態(tài)與控制寄存器的模式錯(cuò)誤標(biāo)志(MODF)有效并置為1時(shí)，引腳可單獨(dú)作為I／O口使用。在該設(shè)計(jì)中GB60為SPI主機(jī)方，直接作為輸出口使用，用以控制MC13192的CE使能信號(hào)。