集成ZigBee 的射頻實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

圖1.泰克MDO4000系列混合域示波器和Microchip無線電測(cè)試電路板模塊。

嵌入式集成ZigBee模塊

事實(shí)證明，IEEE802.15.4物理層無線技術(shù)在各種短距離控制和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中非常流行。ZigBee協(xié)議提供了一個(gè)由設(shè)備組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此大型區(qū)域及數(shù)百臺(tái)、甚至數(shù)千臺(tái)設(shè)備可以相互通信。至少在理論上，不同來源的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備可以相互通信。不同的IEEE802.15.4協(xié)議廠商，提供了功能少、軟件簡(jiǎn)單的方案，可以在有限的特定應(yīng)用或特定功能中工作。

無線系統(tǒng)應(yīng)用包括家庭和商業(yè)樓宇自動(dòng)化、能源監(jiān)測(cè)和控制、安全系統(tǒng)、醫(yī)療監(jiān)測(cè)及各種商業(yè)和工業(yè)產(chǎn)品。圍繞著這套通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開發(fā)出了豐富的IC和模塊支持結(jié)構(gòu)，這些模塊帶有天線，并經(jīng)FCC或其它地區(qū)機(jī)構(gòu)認(rèn)證。每個(gè)IC和模塊還有兩個(gè)增強(qiáng)選項(xiàng)。嵌入式產(chǎn)品只采用IEEE802.15.4低層協(xié)議的射頻電路，因此需要單獨(dú)的微控制器或微處理器來處理ZigBee或其它高級(jí)軟件及應(yīng)用。也有的IC和模塊內(nèi)置微控制器，運(yùn)行ZigBee或其它協(xié)議軟件。許多IC和模塊帶有未定義的I/O引腳，因此整個(gè)產(chǎn)品可能需要很少模塊和傳感器和/或制動(dòng)器及附件。此外，許多模塊帶有功放和接收機(jī)低噪聲前置放大器(LNA)。功放和LNA可以明顯提高射頻范圍，但成本高、能耗大。

對(duì)任何一種方案，都需要PCB支持IC或模塊。還需要有足夠峰值功率及低噪聲的電源。如果選擇芯片級(jí)方案，還需要相應(yīng)的天線接口電路。

圖2.來自不同廠商的典型ZigBee無線電選項(xiàng)實(shí)例，可以有不同的集成度，從無線電集成電路到全面集成模塊及微控制器、功放和LNA。

圖2從左到右顯示了無線IC(Microchip Technologies MRF24J40)、帶有100mW功放和LNA(Microchip MRF24J40MB)的無線模塊、射頻和微控制器集成電路(Ember EM357)、以及帶有微控制器和外部功放和LNA(Ember EM357-MOD)的無線模塊。

ZigBee設(shè)計(jì)考慮因素

當(dāng)越來越多的產(chǎn)品采用ZigBee技術(shù)時(shí)，從許多類型的無線系統(tǒng)中選擇一種應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員會(huì)面臨著許多取舍，包括：

1.成本－與IC相比，模塊的原材料成本與工程設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)認(rèn)證成本之間存在著明顯的矛盾。模塊成本明顯要高于射頻IC，因?yàn)樾枰罅康闹С旨敖M裝工人,部分額外成本在于PCB材料，但大多數(shù)是補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)費(fèi)用及模塊制造商成本。然而，無線電路設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)認(rèn)證也具有成本。對(duì)基于IC的設(shè)計(jì)，如果要使用ZigBee協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟測(cè)試和認(rèn)證會(huì)增加成本。經(jīng)驗(yàn)表明，集成IC對(duì)模塊的盈虧平衡點(diǎn)典型為10,000塊對(duì)25,000塊。

2.開發(fā)時(shí)間－一旦產(chǎn)品準(zhǔn)備就緒，就可以推廣預(yù)認(rèn)證的模塊。集成電路級(jí)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)審批時(shí)間最短要一個(gè)月，但通常要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于一個(gè)月。一般來說，這一般會(huì)增加到開發(fā)過程中，因?yàn)楫a(chǎn)品必需接近最后形狀，軟件需要基本完成之后，才能開始認(rèn)證測(cè)試。

3.外觀形狀－設(shè)計(jì)一個(gè)定制的IC級(jí)無線系統(tǒng)可以靈活地配置射頻電路。在定制設(shè)計(jì)中，根據(jù)產(chǎn)品的整體配置，無線系統(tǒng)可以利用模塊放不進(jìn)去的空間。一般來說，提供的模塊所有部件都位于PCB一側(cè)，以便模塊能夠焊接到主電路板上。在定制設(shè)計(jì)中，部件可以放到任何配置中，并放在電路板的兩側(cè)。

4.協(xié)議靈活性－許多模塊或內(nèi)置微控制器IC的制造商不提供ZigBee或其它通信軟件的源代碼。這意味著，如果希望或需要定制功能，那么在廠商沒有提供這種功能時(shí)，幾乎沒有可用的資源。

5.特殊要求－對(duì)有些應(yīng)用，需要硬件模塊或IC集成了射頻和微處理器的功能，雖然可以選擇增加第二個(gè)微控制器，但總成本會(huì)提高到超出所需水平。在其它情況下，可能希望提供市場(chǎng)上沒有的功能。例如，美國規(guī)范允許1W的無線輸出功率，但有這種功能的模塊很少。

6.天線類型和位置－模塊在PCB上提供了天線，其方式為印刷模式，如Microchip模塊，或者為“芯片”天線，如Ember模塊，并帶有外部天線。如果天線位于屏蔽外殼內(nèi)部，或離最終封裝設(shè)計(jì)中的其它組件太近，模塊上的天線可能會(huì)影響性能。有的模塊帶有外部天線使用的連接器。但是，唯一合法的天線是使用與模塊一起經(jīng)過認(rèn)證的天線。如果有理由(如需要更高的增益)使用模塊廠商不支持的天線，那么要求機(jī)構(gòu)認(rèn)證，這會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的成本和時(shí)間。

圖3.(Microchip Technologies MRF24J40MB和Explorer16演示電路板)ZigBee無線電模塊/測(cè)試電路板與MDO4000系列混合域示波器之間的測(cè)試連接。

集成的射頻測(cè)試驗(yàn)證

一旦選擇了無線實(shí)現(xiàn)方式，進(jìn)行了相應(yīng)的PCB布線，編寫了必要的軟件，那么需要進(jìn)行大量的測(cè)試，以保證良好的通信：對(duì)許多應(yīng)用來說，無線系統(tǒng)與產(chǎn)品其它部分之間要進(jìn)行串行通信。例如，MicrochipIC和模塊采用4線SPI連接，控制射頻IC和相關(guān)組件，如功放。需要使用SPI命令，設(shè)置內(nèi)部寄存器，選擇頻率信道、輸出功率電平及許多其它工作參數(shù)。SPI還用來控制通用端口引腳，這些引腳控制著功放器或其它器件。SPI還用來把數(shù)據(jù)包發(fā)送到IC或模塊，發(fā)送命令傳送數(shù)據(jù)包。接收機(jī)數(shù)據(jù)也通過SPI總線返回。

微控制器中的軟件(不管是集成還是分開)需要提供更高級(jí)的協(xié)議(ZigBee或其它協(xié)議)，及控制無線系統(tǒng)的供電，運(yùn)行產(chǎn)品的其它方面。在許多應(yīng)用中，無線傳輸的定時(shí)至關(guān)重要，以便產(chǎn)品的某個(gè)其它部分正在工作，消耗電源電壓時(shí)，射頻電路不會(huì)發(fā)射信號(hào)。

為了說明驗(yàn)證射頻工作所要完成的一些測(cè)試，我們使用帶有Explorere16演示電路板的Microchip Technologies IEEE802.15.4放大無線模塊(MRF24J40MB)。這些屏幕顯示是使用泰克MDO4000系列多域示波器獲得的，可以以時(shí)間相關(guān)的方式同時(shí)查看RF信號(hào)、模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。設(shè)置和數(shù)據(jù)命令從PC發(fā)送，允許手動(dòng)控制。圖3顯示了測(cè)試設(shè)置。注意我們直接連接到射頻部分，方便電源測(cè)量和其它測(cè)量。同樣，可以使用校準(zhǔn)后的天線，進(jìn)行RF測(cè)量驗(yàn)證射頻工作的一些關(guān)鍵測(cè)試有：

RF測(cè)量和電源測(cè)量-泰克MDO4000系列混合域示波器的獨(dú)特之處在于，它允許同時(shí)查看射頻頻譜和電源，如圖4所示。

圖4.時(shí)域畫面和頻域畫面。橙色條表示頻域畫面相對(duì)于時(shí)域測(cè)量的頻譜時(shí)間。

IEEE802.15.4(包括ZigBee)的信道間隔為5MHz。20dB信道帶寬應(yīng)明顯低于信道間隔。如圖所示，測(cè)得的占用帶寬是2.3MHz。輸出功率約為預(yù)計(jì)的20dBm。屏幕下半部分顯示了輸出頻譜，屏幕上顯示了帶寬和功率的直接測(cè)量結(jié)果。測(cè)試電纜在這個(gè)頻率范圍內(nèi)損耗約2dB，因此功率測(cè)量位于預(yù)計(jì)范圍內(nèi)。

屏幕上半部分底部的橙色條表明了顯示頻譜曲線的時(shí)間周期。頻譜時(shí)間是窗函數(shù)因數(shù)除以分辨率帶寬。在本例中，我們使用默認(rèn)的KaiserFFT函數(shù)(因數(shù)為2.23)，RBW為11kHz，則頻譜時(shí)間約為200us。在時(shí)域窗口中移動(dòng)頻譜條，可以在數(shù)據(jù)包傳輸期間觀察和測(cè)量數(shù)據(jù)。只有在啟動(dòng)無線數(shù)據(jù)包發(fā)射之后，這一采集才是相關(guān)的。

泰克MDO4000系列示波器RF采集可以測(cè)量RF信號(hào)的功率和占用帶寬。由于它還捕獲了RF采集的時(shí)間記錄，因此可以使用數(shù)字下變頻生成I(實(shí)數(shù))和Q(虛數(shù))數(shù)據(jù)。每個(gè)I和Q數(shù)據(jù)樣點(diǎn)表示當(dāng)前中心頻率RF輸入的瞬時(shí)偏差。通過這一分析，可以從記錄的數(shù)據(jù)中計(jì)算出RF幅度隨時(shí)間的變化。