朱小杰　孫長燕　孫肖子

ZigBee技術是一種低速率無線傳輸技術，它基于IEEE802.15.4標準，工作頻率為868MHz、915MHz或2.4GHz，其中2.4GHz是一個開放的頻率。該技術的突出特點是應用簡單、電池壽命長、組網能力強、可靠性高以及成本低。與已經在市場上推廣了很多年的藍牙技術相比，ZigBee技術的傳輸速率要低一些(ZigBee的峰值速率為250kbps，藍牙的峰值速率為750kbps)，但ZigBee的待機功耗比藍牙要低1到2個數量級(ZigBee為3～40μA，藍牙為200μA)。由于以上的優(yōu)點，ZigBee技術在低成本、低速率、低功耗的無線傳輸方面有很大的發(fā)展前景，例如在工業(yè)或企業(yè)市場，需要感應式網路，提供感應辨識、燈光與安全控制等功能 ；而在未來的網絡家庭中，像空調系統的溫度控制器，燈光、窗簾的自動控制，老人與行動不便者的緊急呼叫器，電視與音響的萬用遙控器，煙霧偵測器等這些應用，都非常需要和適合采用這種低成本、低速率、低功耗的無線傳輸技術。

MC13192是飛思卡爾公司提供的符合IEEE 802.15.4標準的帶數據調制解調器的射頻收發(fā)芯片。該芯片性能穩(wěn)定，功耗很低，采用經濟高效的CMOS設計，幾乎不需要外部組件。更重要的是，該芯片和飛思卡爾其他的ZigBee產品組合在一起可以搭建成飛思卡爾ZigBee－Ready平臺，利用該平臺進行ZigBee相關方面的開發(fā)工作可以有效地縮短工程師的開發(fā)時間，降低開發(fā)成本。

主要特點

MC13192符合IEEE 802.15.4標準，它選擇的工作頻率是2.405～2.480GHz，數據傳輸速率為250kbps，采用O-QPSK調試方式。這種功能豐富的雙向2.4GHz收發(fā)器帶有一個數據調制解調器，可以在ZigBee技術應用中使用，它還具有一個優(yōu)化的數字核心，有助于降低MCU處理功率，縮短執(zhí)行周期。內部集成4個定時比較器，使其可以和性能較低、價格低廉的MCU配合使用以降低成本，廣泛的中斷維修服務使得MCU編程更為容易；芯片和MCU之間使用串行外圍接口，使得在MCU選擇上具有更大的余地。芯片集成的連接質量和電源檢測功能可以為組網和維護提供必要的數據。除此之外，芯片還具有以下的特性 ：全頻譜編碼和譯碼；經濟高效的CMOS設計，幾乎不需要外部組件；可編程的時鐘，供基帶MCU使用；標準的4線SPI（以4MHz或更高頻率運行） ；擴展的范圍性能（使用外部低噪音放大器功率放大器） ；可編程的輸出功率，通常為0dB ；超低功率模式 ；7條GPIO線路；芯片采用2.7V供電，接收狀態(tài)耗電37mA，發(fā)射狀態(tài)耗電30mA，功耗很低；QFN-32封裝，尺寸為5mm×5mm，是同類芯片中尺寸最小的。

內部結構

芯片內部結構如圖1所示。芯片主要由模擬接收發(fā)射部分、數字調制解調部分、片內頻率合成器、電源管理部分以及與MCU接口部分組成。

從天線接收進來的射頻信號經過兩次下變頻之后變成兩路正交信號（I和Q）,片內集成的CCA（空閑信道評估）模塊根據接收到的基帶信號的能量進行空閑信道評估檢測。CCA和前端的LNA（低噪聲放大器）都要受到AGC（自動增益控制）的控制。數字接收端通過差分碼片檢測（DCD）后經過相關器對直接序列擴頻（DSSS）進行解擴，經過符號同步檢測和包處理以后最終得到接收到的數據。通過SPI接口傳送到MCU。

要發(fā)送的128字節(jié)信號由MCU通過SPI接口傳送到MC13192的發(fā)送緩沖器中，頭幀和幀檢測序列由MC13192產生，根據IEEE802.15.4標準，所要發(fā)送的數據流的每４個比特被32碼片的擴頻序列擴頻，擴頻以后的信號送到相位開關調制器上以O-QPSK的方式通過直接上變頻調制到載波后通過天線發(fā)射出去。

芯片還集成頻率合成器、電源管理模塊、定時器、中斷判決器以及用于接收、發(fā)射的存儲器電路。

應用電路

圖2是MC13192應用于ZigBee網絡終端設備典型應用電路。要發(fā)送的信號從MCU通過SPI口傳送到MC13192中，經過擴頻O-QPSK調制到載波后通過發(fā)通路從天線發(fā)射出去。從天線來的射頻信號經過收通路傳送到MC13192中，經過解調、解擴得到原始的數據，再通過SPI接口傳送到MCU，MCU同時提供對收發(fā)通路切換的控制。

電路中的MC13192射頻信號采用差分輸入輸出的方法，天線采用的是與輸入輸出相匹配的平衡印制線天線，當然，從實際設計需要出發(fā)也可以使用芯片天線來替代印制線天線。從天線接收的射頻信號通過由L3和C12組成的窄帶匹配網絡和單刀雙擲開關μPG2120TK-E2后傳送到變壓器Z1上，由Z1將其分解為兩路差分信號傳送到MC13192芯片的兩個射頻信號輸入管腳RIN_M和RIN_P上；要發(fā)射的兩路射頻信號從芯片的兩個射頻信號輸出端PAO_P和PAO_M輸出，經過變壓器Z2后合成一路信號，通過單刀雙擲開關μPG2120TK-E2和由L3和C12組成的窄帶匹配網絡后傳送到天線上發(fā)射出去。

需要注意的是芯片的PAO+和PAO-管腳需要和芯片的VDDA相連，在電路中是通過變壓器Z2將它們相連的。

考慮到晶體振蕩器對通信質量的影響，在印制板排版時應將晶體振蕩器的位置盡可能地靠近MC13192芯片的XTAL1和XTAL2管腳。電容C5、C6的值應該與晶體振蕩器負載電容相一致，MC13192芯片指定的晶振頻率為16MHz，穩(wěn)定度需要在±40ppm之間。

芯片的VDDA、VDDLO1、VDDLO2、VDDD、VDDVCO管腳是芯片內部電源管理部分的輸出，用來向芯片的其他部分供電。在實際應用中對這幾個輸出的旁路電容的要求比較嚴格，在設計印制板的時候同樣應該將它們的旁路電容的位置盡量靠近相應的輸出管腳。

芯片通過標準的四線SPI接口與MCU相連，SPI接口可以在8MHz或者更小的頻率下工作就可以滿足芯片的使用要求。芯片可以通過CLK0管腳向MCU輸出時鐘信號，該時鐘是通過SPI接口編程控制的，它的默認值為32.786kHz（16MHz/488）。將芯片的管腳與MCU的一個GPIO相連使得MCU可以很容易地控制芯片的工作模式。當然也可以通過開關等外加電路來對工作模式的控制進行擴展以滿足實際需要。

在實例中，MCU通過一個GPIO口和芯片的RXTXEN管腳相連，用來初始化芯片的收發(fā)操作。芯片也可以將該管腳設置為高電平，通過SPI編程來初始化芯片的收發(fā)操作。MCU通過一個GPIO口和芯片的管腳相連，用以在必要的時候對芯片進行復位操作。

MCU的選取

MC13192芯片只是ZigBee技術平臺解決方案的一個組件，在具體的實現中必須根據實際需要選擇合適的處理設備，所選擇的處理設備必須集成支持IEEE802.15.4 MAC和ZigBee軟件，才能構成完整的解決方案?？紤]到與MC13192良好的兼容性和較好的技術支持，可以優(yōu)先考慮使用飛思卡爾提供的適合ZigBee技術的處理設備。飛思卡爾推出的HCS08系列是最新的8位MCU，其工作電壓為1.8V。HCS08系列的性能與許多16位MCU相當，但功耗很低。將其和MC13192配合使用可以大幅度地延長電池壽命，提高工作性能。該系列共有四款芯片，它們分別是MC9S08GB32/GB60/GT16/GT60。

對于處理設備集成的軟件，設計者可以根據自己的需要參考MC13192使用手冊編寫，也可以采用飛思卡爾已經編寫好的MAC層軟件。飛思卡爾開發(fā)的IEEE802.15.4MAC軟件作為ZigBee平臺解決方案的一部分，符合協議標準，其體積很小，這樣將其集成到MCU上只占很小的存儲空間。該軟件具有以下特點：可支持對等的、星狀和網狀網絡拓撲；可支持可選的上層Z-Stack ZigBee;省電模式（休眠、應用可配置）；安全性好；載波偵聽多點接入/沖突，避免（CSMA-CA）通道訪問；可選的帶信標的超幀結構；有保證的時間槽（GTS）機制。

MC13192用于ZigBee－Ready平臺

飛思卡爾為終端產品制造商推出一站式ZigBee-Ready平臺。這種可升級的解決方案致力于為制造商提供完善的產品和支持服務，與通過多個供應商獲得產品和支持相比，這種一站式服務能夠幫助客戶減少開發(fā)時間和研發(fā)成本。該ZigBee-Ready平臺包括工作在2.4GHz頻段的射頻數據調制解調器MC13192、IEEE 802.15.4兼容性MAC軟件，以及一顆低電壓、低功耗的MCU- HCS08系列芯片。

ZigBee-Ready平臺解決方案傳感器應用的框圖如圖3所示。在圖示的例子中，MCU選擇的是MC9S08GT16，其性能很好，而功耗卻很低，傳感器根據需要選擇，可以是溫度傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器等。由傳感器輸出的模擬信號經過MCU的8通道10位ADC變換后輸入到MCU，MCU通過SPI口和MC13192連接將從傳感器采集的信號經過處理后通過MC13192發(fā)射出去。對傳感器的控制信號可以從MC13192的天線接收進來，通過SPI傳送到MCU上，經過MCU的判斷處理后通過GPIO口傳送到傳感器上，以完成對傳感器的控制。同時MCU完成對MC13192收發(fā)控制和所需要的MAC層操作。