基于MC13213的單芯片ZigBee平臺的物理層協(xié)議研究與實現(xiàn)[圖]

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，該技術基于IEEE 802.15.4標準，由成立于2001年8月的ZigBee聯(lián)盟提出。2004年12月，ZigBee聯(lián)盟制定了ZigBee SpecificationV1.0。至今ZigBee技術已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展和應用。目前，我國絕大部分的ZigBee硬件都是由國外廠商設計和生產(chǎn)的。早期的ZigBee硬件都是微控制器(MCU)和IEEE 802.15.4射頻芯片分離的。隨著片上系統(tǒng)(SoC)的出現(xiàn)，ZigBee硬件也發(fā)展到了在一個芯片內(nèi)部集成了MCU和射頻芯片，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，F(xiàn)reescale公司的MC1321x降低了ZigBee開發(fā)者對硬件射頻電路的要求，加速了ZigBee系統(tǒng)的開發(fā)，同時具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

為了更好地推廣應用ZigBee，本文對物理層協(xié)議及編程方法進行了深入研究。物理層是ZigBee的關鍵技術，完整的ZigBee協(xié)議包括應用層(APL)、網(wǎng)絡層(NWK)、媒介接入控制層(MAC)和物理層(PHY)等。物理層通過操作底層硬件為上層提供服務接口，因此物理層的穩(wěn)定可靠關系到整個協(xié)議棧的健壯性，是其他層設計的基礎。

采用嵌入式構(gòu)件化的設計方法，可提高物理層設計的可移植性和可重用性，目前很少有人做這方面的工作。本文采用射頻片上系統(tǒng)(SoC)——MC13213設計了一個較通用的單芯片ZigBee硬件平臺，分析和實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議物理層，按照構(gòu)件化的方法進行設計，并對構(gòu)件進行了詳細的測試，這不僅為基于物理層的簡單應用提供了方法，而且為后續(xù)的MAC層的應用打下了基礎。

1 ZigBee物理層功能概述

ZigBee工作在免申請的工業(yè)科學醫(yī)療頻段。IEEE 802.15.4標準中定義了兩個可用的物理層：基于2.4 GHz頻段的“短距離”實現(xiàn)和基于868/915 MHz頻段的“長距離”實現(xiàn)，兩者都使用直接序列擴頻(DSSS)技術。中國目前的ZigBee工作頻段為2.4 GHz。

ZigBee物理層通過射頻固件和射頻硬件為MAC層和物理無線信道之間提供了服務接入點SAP(Service Access Point)。

IEEE 802.15.4定義的物理層參考模型如圖1所示。其中PD-SAP(PHY Data Service Access Point)是物理層提供給MAC層的數(shù)據(jù)服務接口，PLME-SAP(Physical Layer Management Entity-Service Access Point)是物理層提供給MAC層的管理服務接口，RF-SAP是由底層無線射頻驅(qū)動程序提供給物理層的接口。

物理層主要完成以下工作：激活和禁用射頻收發(fā)器，對信道進行能量檢測ED(Energy Detect)，提供所接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示LQI(Link Quality Indication)，空閑信道評估CCA(Clear Channel Assessment)，信道頻率選擇，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等。

2 MC13213單芯片ZigBee物理層編程結(jié)構(gòu)

Freescale公司推出的單芯片ZigBee解決方案——MC13213采用SoC技術，在9 mm×9 mm的LGA封裝內(nèi)集成了HCS08 MCU和遵循IEEE 802.15.4標準的第二代無線射頻收發(fā)器MC1320x[3-4] (后文中將用MCU和Modem分別代表MCU模塊和射頻收發(fā)器模塊)。具有4 KB的RAM、60 KB的Flash，1個串行外設接口(SPI)，2個異步串行通信接口(SCI)，1個鍵盤中斷模塊(KBI)，2個定時器/脈寬調(diào)制TPM(Timer/PWM)模塊，1個8通道10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以及多達32個的GPIO口等[5]。Modem內(nèi)部已經(jīng)集成了功率放大器PA(Power Amplifier)、低噪聲放大器LNA(Low Noise Amplifier)和收/發(fā)開關(T/R switch)，這在很大程度上降低了系統(tǒng)成本和射頻電路的設計難度。

2.1 Modem與MCU的交互方式

Modem可以通過SPI接口、IRQ中斷請求以及幾個狀態(tài)和控制信號與主控MCU實現(xiàn)交互，如圖2所示。

作者：吳瑾 潘啟勇 王宜懷 來源：電子技術應用