包含ZigBee傳感和控制解決方案的經(jīng)濟高效的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡

　　再看看其他一些必要的外圍設備，如用來降低MCU資源要求的內(nèi)部計時器比較器。通用輸入/輸出端口(GPIO)的配置和計數(shù)各有不同。GPIO在很大程度上取決于應用中其他設備的接口要求。在那些用獨立MCU提供收發(fā)器靈活性的解決方案中，通信通過串行外圍設備接口(SPI)端口進行處理。正如預料的那樣，當無線和MCU集成到一個封裝或芯片時，收發(fā)器就通過機載或內(nèi)部SPI命令信道與MCU進行通信。而且，集成解決方案還包括低噪聲放大器(LNA)、帶內(nèi)部電壓控制振蕩器(VCO)的功率放大器、集成的發(fā)射/接收交換機、機載電源調(diào)節(jié)、全展頻編解碼，從而降低了系統(tǒng)的外部組件需求和系統(tǒng)總成本。

　　一系列系統(tǒng)時鐘配置為設計人員提供了最終系統(tǒng)設計的靈活性。允許外部時鐘源或用于CPU計時的晶體振蕩器選件是最適當?shù)?。調(diào)制解調(diào)器時鐘通常都需要 16MHz外部晶振。調(diào)整調(diào)制解調(diào)器晶振頻率的能力有助于維持IEEE 802.15.4規(guī)范所要求的嚴格標準。

　　根據(jù)最終設計的復雜性和要求，設計人員最好由那些通常根據(jù)內(nèi)存大小提供多個網(wǎng)絡軟件拓撲替代方案和和多種硬件配置的廠商來服務。這包括采用4K 字節(jié)及以上MCU閃存大小的簡單MAC配置。完全符合802.15.4標準的MAC和完全兼容ZigBee的拓撲通常采用大約20K 字節(jié)至128K 字節(jié)的MCU閃存。

　　使用廠商提供的參考設計、硬件開發(fā)工具和軟件開發(fā)工具來簡化設計流程。對于硬件開發(fā)工具來說，簡單的"入門"指南、融入了用于可視監(jiān)控的LED和LCD的必要主板、電纜和電池等，提供了輕松的開箱即用體驗。這些工具使設計人員能夠在幾分鐘內(nèi)建好網(wǎng)絡，如實評估網(wǎng)絡和解決方案性能。過去的有些軟件設計工具，具體來說就是那些支持完全符合ZigBee的網(wǎng)絡的軟件設計工具使用起來非常困難。為了降低RF調(diào)制解調(diào)器準備工作的復雜性，那些提供基于圖形用戶界面(GUI)的軟件設計工具廠商能夠引導設計人員逐步完成收發(fā)器設置。

　　天線設計也是一個復雜問題，特別是對于那些沒有什么RF設計經(jīng)驗的數(shù)字設計人員。通常，設計人員會考慮以下這些因素，例如正確的天線選擇、天線調(diào)節(jié)、匹配、增益/損失、以及所需的輻射模式等。從收發(fā)器廠商提供的應用說明中獲得一些基本的天線知識也是一個辦法，然而，大多數(shù)數(shù)字工程師更愿意采用提供天線設計廠商的解決方案，這讓他們能夠把精力集中到應用設計上。希望天線解決方案的天線設計以完整Gerber文件形式提供，這樣就可以直接提供給印刷電路板制造商進行實施。提供這種天線設計解決方案的廠商解決了與高質(zhì)量天線設計(即無線應用中的適當范圍和穩(wěn)定吞吐量)有關(guān)的問題。

　　方形扁平無鉛封裝是低成本無線聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)收發(fā)器部分的最佳小體積封裝解決方案。這種封裝充分考慮了傳感和控制解決方案所固有的主板空間限制問題。在實施空間有限且通常以電池為電源的最終節(jié)點情況中，尺寸顯得尤其重要。
　　
　　圖 4是一個分析無線解決方案的矩陣示例。矩陣設計因素很容易擴展，使之包括微控制器特性、功能以及性能。

 
微控制器

　　在選擇傳感和控制實施機制時，有幾種替代方案。有些設計人員選擇系統(tǒng)封裝(SiP) 或平臺封裝(PiP)，收發(fā)器和MCU功能包括在單一封裝或集成電路中。然而，如果設計人員傾向于選擇獨立收發(fā)器和MCU配置，他們就可以靈活地選擇各種MCU，來混合和匹配多種最終產(chǎn)品配置。

　　在后一種機制中，選擇適當?shù)腗CU需要進行徹底的研究。這取決于傳感和控制應用的復雜性與適當?shù)男阅芤蛩?、?nèi)存配置和外圍設備模塊的匹配。通常，對于低成本無線傳感系統(tǒng)來說，20 MHz CPU 操作頻率范圍(10 MHz總線時鐘)內(nèi)的8位微控制器就能夠提供一個易于實施的、低成本的替代方案。在線調(diào)試(加上芯片調(diào)試模塊的兩個斷點)期間用來支持單斷點(標簽和力量選項)設置的背景調(diào)試和斷點功能提供首選調(diào)試環(huán)境。很多MCU解決方案支持可最多32個中斷/復位源。

　　傳感和控制應用的內(nèi)存要求通常是8K字節(jié) 的閃存和512字節(jié)的RAM，或者最低4K字節(jié)的閃存和256字節(jié)的RAM。全操作電壓和溫度條件下的閃存讀取、編程或擦除是必需的。

　　各種操作模式都能夠精確控制功耗，這是延長電池壽命的一個關(guān)鍵功能。希望MCU支持常規(guī)操作(運行模式)、進行芯片調(diào)試的活動背景模式、各種停止模式(總線和CPU時鐘暫停)和等待模式。

　　考慮使用具有內(nèi)部時鐘源模塊的微控制器，內(nèi)部時鐘源模塊包含一個由內(nèi)部或外部參考控制的頻率鎖定環(huán)(FLL)，內(nèi)部參考的精確調(diào)節(jié)實現(xiàn)了溫度和電壓0.2%的分辨率和2%的誤差。內(nèi)部時鐘源模塊應支持1MHz至10MHz的總線頻率。具有關(guān)鍵模塊可選時鐘輸入的MCU能夠控制時鐘，以驅(qū)動模塊功能。而且，希望MCU具有低功率振蕩器模塊，其中軟件可選擇晶體或陶瓷振蕩器的頻率范圍為31.25kHz至38.4kHz或1MHz至16MHz ，最高支持20 MHz的外部時鐘源輸入。

　　所選擇的MCU必須能夠提供系統(tǒng)保護，如看門狗計算機操作適當(COP)復位等選項，具有運行專用的1kHz內(nèi)部時鐘源或總線的替代方案。其他"必須具有"的系統(tǒng)保護功能包括低壓檢測(通過復位或中斷)、非法操作碼檢測(通過復位)、非法地址檢測(通過復位)和閃存塊保護。

　　各種嵌入式外圍設備將簡化設計人員的應用實施。建議使用8信道、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來實現(xiàn)精確的逐步逼近法?？紤]硬件可觸發(fā)的ADC，它使用RTI計數(shù)器并具有自動比較、異步時鐘源、溫度傳感器和內(nèi)部帶隙參考信道功能。

　　傳感和控制應用的其他必需外圍設備包括：具有比較內(nèi)部參考選項的模擬比較器模塊、串行通信接口模塊(SCI)、串行外圍設備接口模塊(SPI)、內(nèi)部集成電路(IIC)總線模塊、2信道計時器/脈寬調(diào)節(jié)器(用于輸入捕捉、輸出比較、緩沖邊緣對齊的PWM或緩沖中央對齊的PWM)、帶前置分頻器的8位模數(shù)計時器模塊、具有邊緣或邊緣/水平模式上軟件可選極性的8管腳鍵盤中斷模塊。

　　有多種小體積MCU封裝選項都能夠滿足傳感和控制設計要求，從而幫助優(yōu)化有限的主板空間，特別是在最終節(jié)點、電池操作的功能中。能夠滿足這些注意事項的幾種微控制器封裝是低管腳數(shù)量塑料雙列直插式封裝(PDIP)、方形扁平無鉛封裝(QFN)、薄型小外形封裝(TSSOP)、雙排平面無鉛封裝(DFN)、窄體小外形封裝(NB SOIC)。

　　作為MCU選擇的一部分，還要慎重考慮硬件和軟件設計工具的易用性、文檔清晰性、參考設計、可用應用代碼和其他設計支持服務。射頻或調(diào)制解調(diào)器的設計也同樣如此，MCU的有效集成開發(fā)環(huán)境(IDE)應當包括GUI驅(qū)動工具，其內(nèi)置功能和工具能夠簡化編碼和工程文件管理，以加快設計進程。抽象硬件層并生成特定微控制器的優(yōu)化C碼(根據(jù)應用定制)的專家工具能夠讓設計人員把精力集中到應用概念上。同時需要考慮快速而輕松的調(diào)試以及閃存編程功能，還有助于使用一些允許設計人員創(chuàng)建可重復利用軟件組件的功能，實現(xiàn)工程間的再利用。

傳感、監(jiān)視和控制子系統(tǒng)的參考設計

　　傳感、監(jiān)視和控制子系統(tǒng)的參考設計通常很重要，因為應用基線從這里演進一些特定的設計需求。例如，無線UART參考設計就采用SiP解決方案，這是飛思卡爾半導體的MC13211 RF收發(fā)器。飛思卡爾1321X-SRB傳感器參考主板的示意圖文件、物料清單、Gerber文件、軟件工程文件(.mcp)和其他設計支持材料請見：www.Freescale.com/zigbee。作為參考設計的一部分，1321X-SRB (圖 5)包括飛思卡爾MMA7260Q 三軸加速傳感器。因此，參考設計包含在幾分鐘內(nèi)構(gòu)建工作網(wǎng)絡所需的所有組件，以實現(xiàn)快速的概念驗證。同時，參考設計的開發(fā)使用無限使用許可，實現(xiàn)了控制器或SMAC代碼庫的輕松媒體接入。使用飛思卡爾的BeeKit無線連通性工具包和CodeWarior IDE(下載32K字節(jié)版本無需額外成本)，您可以立即從mcp文件(與參考設計一起提供的Wireless_Uart.mcp)中開始您的應用軟件開發(fā)。

　　要建立新工程，只需從以下鏈接中下載免費贈送的BeeKit GUI無線設置軟件工具就可以了：
http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp code=BEEKIT_WIRELESS_CONNECTIVITY_TOOLKIT&nodeId=01J4Fs25657103&fpsp
=1&tab=Design_Tools_Tab

　　選擇BEEKITDOWNLOADPACKAGE.ZIP (最后一個條目)，按照包含在工具下載包中的使用簡便的說明安裝BeeKit 。啟動BeeKit，您就可以看到逐步說明。解決方案探測器和向?qū)軌蜃屧趧?chuàng)建工程前快速配置參數(shù)，從而降低了通過單個文件手動配置參數(shù)和分類的需要。綜合代碼庫提供無線聯(lián)網(wǎng)庫、應用模板和應用示例。

　　一旦工程創(chuàng)建完畢，您就可以進行定制(如需要的話)，BeeKit將驗證您定制的每一個工程選擇，以確保沒有沖突。一旦設置了無線解決方案，您就可以采用.xml 文件導出工程，并導入CodeWarrior，開始您的應用軟件開發(fā)。

　　如果您使用的是其他供應商的不同參考設計，支持文件一般都可以通過web 下載從供應商那里獲得。所有下載必須包括必要的示意圖、物料清單、Gerber文件、軟件和其他文檔，以便進行完整的參考設計實施。

　　簡化嵌入式工程師的無線區(qū)域網(wǎng)絡設計工作，提高最終產(chǎn)品的價值

　　通過有組織的研究和分析工作，就會出現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng)應用解決方案的清晰選擇。嵌入式系統(tǒng)設計人員可以生成一些信息，做出一個能夠更好地把增值無線聯(lián)網(wǎng)功能融入其最終產(chǎn)品的合理決策。在矩陣分析開發(fā)方面所做的積極努力將通過減少開始時的挫折和錯誤機會，節(jié)約大量的設計時間和費用。該矩陣將幫助您選擇最佳的無線解決方案 ，為工程設計管理層提供設計決策演進方面的可視模式。參考設計解決方案由最富有經(jīng)驗的無線和有線半導體供應商提供。

　　積極的、富有邏輯的、組織嚴密的設計評估與可靠的參考設計的結(jié)合有助于簡化WPAN 設計和開發(fā)，實現(xiàn)最快的產(chǎn)品上市和銷售。

支持信息

　　飛思卡爾半導體的傳感、監(jiān)視和控制應用無線聯(lián)網(wǎng)解決方案

　　飛思卡爾半導體為那些希望在最終產(chǎn)品中樹立全新典范的嵌入式工程師提供了一套完整解決方案。飛思卡爾半導體主板系列滿足了上面提到的低成本無線聯(lián)網(wǎng)實施所必需的設計要求，它們包括：

　　RF調(diào)制解調(diào)器或收發(fā)器解決方案 (簡單MAC、802.15.4 MAC和ZigBee)，它們可以與各種MCU產(chǎn)品結(jié)合使用(與HCS08 和ColdFire MCU系列結(jié)合使用的MC1320x 收發(fā)器系列)

　　集成收發(fā)器解決方案(簡單MAC、802.15.4 MAC和 ZigBee)，內(nèi)置MCU、統(tǒng)封裝(SiP)(MC1321xSiP系列)

　　模擬組件

　　感器組件

　　為了實現(xiàn)ZigBee及其他低成本、低功率無線網(wǎng)絡的輕松實施，您可以從如下鏈接中找到參考設計、應用說明、硬件開發(fā)工具、軟件設計工具和更為詳細產(chǎn)品信息資源：http://www.freescale.com/zigbee。