包含ZigBee传感和控制解决方案的经济高效的无线个人区域网络

2008-07-28 18:43:44来源: 中国电子网

  无线个人区域网络(或WPAN)对传感、监视和控制应用来说尤其有用。经济高效的WPAN具有在众多最终产品中实施无线连通性的独特潜力,而在以前,这些产品从未考虑过这一功能。对主要WPAN 设计因素进行彻底的、基于事实的、逻辑的和有组织的评估可以密切管理系统财务目标,用积极的回报率提升最终产品价值,同时仍实现主要的无线设计目标。

  传感、监视、控制解决方案推动着WPAN实施的具体考虑因素。传感、监视和控制应用中的低成本无线网络范围是那些距离在300米及以下和数据速率在250 kbps及以下的网络。在WPAN最终节点设计中,为了满足产品需求,通常必须把电池寿命延长到一个适当的水平。

  嵌入式工程师在设计工作开始前先分析几个关键因素,可以提高最终无线网络实施的效果。以矩阵格式开发和探究这些关键因素将有助于设计工程师加快组件和解决方案选择分析进程。参考设计图、物料清单和其他应用信息也可以作为设计启动的基本要素进行收集。本文举出了一个无线UART(通用异步接收/发射器)参考设计示例。

  建议嵌入式工程师考虑与WPAN设计要求有关的以下区域:集成、无线联网拓扑、无线电(RF调制解调器或收发器)、性能、操作电压、数据速率、范围、信道灵活性、输出功率、灵敏度、电源管理外围设备、时钟、多层软件、硬件和软件设计的简便性、天线设计和封装。另外,无论是考虑集成的解决方案还是离散解决方案,都应从以下几方面评估一下微控制器(MCU):CPU特性、性能、内存选件、电源管理、时钟源选件、模拟-数字转换、外围设备、封装、在线调试和编程功能、以及软件和硬件设计的简便性。这些分析将为工程决策提供一个合理的视角、为设计成功铺平道路,最终实现产品的快速上市和更轻松实施经济高效的无线联网。

  集成

  低成本无线联网的各种实施替代方案为工程师提供了高度灵活的设计流程。像下面显示的这种替代方案,它考虑采用一站式采购提供商的解决方案,这种解决方案提供了各种与一系列微控制器选择结合使用的独立收发器配置(见图1)。

  

  作为第二种同样有效的替代方案,它考虑使用能够提供集成的收发器/微控制器 (MCU)产品的最新解决方案。由于设计人员通常在多个类似的最终产品上工作,设计组件和工程投资的再利用就显得非常重要。因此,解决方案选项的结构性评估在成本和资源两个方面都非常有效。周密的研究可以为基于一个基础设计的几种最终产品提供依据(见图2)。

  

  无线联网拓扑

  2.4 GHz ISM频段支持几种短距离无线联网拓扑。每种替代方案的开发都是为了最好地服务特定应用或功能。与2.4 GHz频率范围有关的最常见联网拓扑是Bluetooth、WiFi和ZigBee、以及其他一些专用解决方案(见图3)。这些解决方案都适合于无线个人区域网络,还有些解决方案则提供扩展功能,能够很好地满足传感、监视和控制应用需要。也可以考虑一些非标准专用解决方案,但这些解决方案可能带给设计人员一定风险,因为它们依赖于厂商,并可能随时更改。

  根据ZigBee联盟(见www.zigbee.org)的解释,ZigBee(一种基于 IEEE 802.15.4标准的解决方案)的创建主要针对那些要求低功耗、低数据速率、可靠性和安全性的网络。ZigBee解决方案适应特定网络的支持网状联网、网络恢复和愈合、设备互操作性和厂商独立性。ZigBee解决方案频率通常在868/915 MHz或2.4 GHz的频谱范围内。

  ZigBee技术解决方案的数据速率是250 Kbps。为了最大限度地延伸电池使用寿命,功耗必须特别低,使碱性或锂电池实现几个月甚至几年的使用寿命(通常相当于电池的货架寿命)。从理论上讲,ZigBee技术最多可支持65,000个节点。最适合由ZigBee技术解决方案支持的常见传感、监视和控制应用包括:

  个人和医疗监视;资产管理、状态和跟踪;安全、接入控制和安全监视;舒适性监控;流程传感和控制;能源管理;家庭自动化;加热、通风、空气调节传感和控制;楼宇自动化;工业自动化和众多其他应用。

  有些无线个人区域网络可能与单一的点到点或星状配置一样简单。对于一些特定的应用,与ZigBee类似的其他专用无线解决方案能提供最适合该应用的设计简便性与系统功能匹配。比如简单媒体接入控制或SMAC。这一领域的解决方案都是厂商提供易用源码,加快简易网络的面市。符合IEEE802.15.4标准的媒体接入控制器 (MAC)解决方案用数据包和流数据模式、时隙和非时隙网络、128 AES数据加密,支持更复杂的配置。

  提供多级堆栈功能的提供商让嵌入式工程师能够将他们的设计软件重新用于各种WPAN,包括复杂程度不同的WPAN。多堆栈解决方案使嵌入式工程师可以轻松建立无线系统,并将大部分精力集中到应用软件的基础设计。

  无线(收发器)或射频调制解调器

  要实施低成本无线联网系统,应考虑几个RF调制解调器特性。大多数经济高效的WPAN RF解制解调器解决方案都建议采用2.0-3.4V的电源。

  对轻量无线网络来说,低数据速率足以支持监视、传感和控制功能,并能够帮助管理系统功耗。就像前面提到的那样,2 MHz信道(其中信道间距为5 MHz)中具有全展频编解码、速率为250 kbps及以下的O-QPSK数据通常为这类应用选择。在这种环境中,收发器唤醒,收听开放信道,并以较低数据速率发射小型数据包,直到显示了下一事件时才关闭。顺序排列、快速加电延迟、低数据速率和小型数据包允许802.15.4收发器选择数据传输最有效的时间增量。

  

  正如前面所述,对传感和控制子系统来说,数据传输范围和功率要求最好用WPAN软件堆栈解决方案进行支持。典型范围是0-10米,然而很多解决方案都提供远远超过300米的视线范围。

  查看与规划设计有关的可用收发器信道的数量和类型非常重要。可供选择的收发器信道让设计人员能够选择利用那些最能降低噪声的信道,特别是远离更为拥挤的2.4GHz WiFi 信道。对于较嘈杂的操作环境,有经验的厂商会提供三到四条噪声可能较低的2.4GHz信道。

  建议设计人员在0-4 dBm范围内寻找典型的发射输出功率。一般情况下,-90 dBm范围内的接收灵敏度就足以满足传感、监控和控制功能的需要。已缓冲的发射和接收数据包能够为将与收发器结合使用的低成本MCU简化数据管理。无线或收发器还应提供链路质量和能量检测功能,以便进行网络性能评估。

  多种节电模式都可以节约电力,从而最大限度地降低系统功耗。这些模式通常包括单数字微安范围内的断开电流、冬眠电流和睡眠电流。当范围或环境需要较低功率就能实现发射和接收目标时,输出功率的可编程性还让设计人员进一步降低了功耗。确保在所选解决方案中提供这些功能将有助于最大限度地延长以电池为电源的全功能/协调器或最终节点设备的电池使用寿命,通常都能达到电池的货架寿命。

  再看看其他一些必要的外围设备,如用来降低MCU资源要求的内部计时器比较器。通用输入/输出端口(GPIO)的配置和计数各有不同。GPIO在很大程度上取决于应用中其他设备的接口要求。在那些用独立MCU提供收发器灵活性的解决方案中,通信通过串行外围设备接口(SPI)端口进行处理。正如预料的那样,当无线和MCU集成到一个封装或芯片时,收发器就通过机载或内部SPI命令信道与MCU进行通信。而且,集成解决方案还包括低噪声放大器(LNA)、带内部电压控制振荡器(VCO)的功率放大器、集成的发射/接收交换机、机载电源调节、全展频编解码,从而降低了系统的外部组件需求和系统总成本。

  一系列系统时钟配置为设计人员提供了最终系统设计的灵活性。允许外部时钟源或用于CPU计时的晶体振荡器选件是最适当的。调制解调器时钟通常都需要 16MHz外部晶振。调整调制解调器晶振频率的能力有助于维持IEEE 802.15.4规范所要求的严格标准。

  根据最终设计的复杂性和要求,设计人员最好由那些通常根据内存大小提供多个网络软件拓扑替代方案和和多种硬件配置的厂商来服务。这包括采用4K 字节及以上MCU闪存大小的简单MAC配置。完全符合802.15.4标准的MAC和完全兼容ZigBee的拓扑通常采用大约20K 字节至128K 字节的MCU闪存。

  使用厂商提供的参考设计、硬件开发工具和软件开发工具来简化设计流程。对于硬件开发工具来说,简单的"入门"指南、融入了用于可视监控的LED和LCD的必要主板、电缆和电池等,提供了轻松的开箱即用体验。这些工具使设计人员能够在几分钟内建好网络,如实评估网络和解决方案性能。过去的有些软件设计工具,具体来说就是那些支持完全符合ZigBee的网络的软件设计工具使用起来非常困难。为了降低RF调制解调器准备工作的复杂性,那些提供基于图形用户界面(GUI)的软件设计工具厂商能够引导设计人员逐步完成收发器设置。

  天线设计也是一个复杂问题,特别是对于那些没有什么RF设计经验的数字设计人员。通常,设计人员会考虑以下这些因素,例如正确的天线选择、天线调节、匹配、增益/损失、以及所需的辐射模式等。从收发器厂商提供的应用说明中获得一些基本的天线知识也是一个办法,然而,大多数数字工程师更愿意采用提供天线设计厂商的解决方案,这让他们能够把精力集中到应用设计上。希望天线解决方案的天线设计以完整Gerber文件形式提供,这样就可以直接提供给印刷电路板制造商进行实施。提供这种天线设计解决方案的厂商解决了与高质量天线设计(即无线应用中的适当范围和稳定吞吐量)有关的问题。

  方形扁平无铅封装是低成本无线联网子系统收发器部分的最佳小体积封装解决方案。这种封装充分考虑了传感和控制解决方案所固有的主板空间限制问题。在实施空间有限且通常以电池为电源的最终节点情况中,尺寸显得尤其重要。

  图 4是一个分析无线解决方案的矩阵示例。矩阵设计因素很容易扩展,使之包括微控制器特性、功能以及性能。

  

  微控制器

  在选择传感和控制实施机制时,有几种替代方案。有些设计人员选择系统封装(SiP) 或平台封装(PiP),收发器和MCU功能包括在单一封装或集成电路中。然而,如果设计人员倾向于选择独立收发器和MCU配置,他们就可以灵活地选择各种MCU,来混合和匹配多种最终产品配置。

  在后一种机制中,选择适当的MCU需要进行彻底的研究。这取决于传感和控制应用的复杂性与适当的性能因素、内存配置和外围设备模块的匹配。通常,对于低成本无线传感系统来说,20 MHz CPU 操作频率范围(10 MHz总线时钟)内的8位微控制器就能够提供一个易于实施的、低成本的替代方案。在线调试(加上芯片调试模块的两个断点)期间用来支持单断点(标签和力量选项)设置的背景调试和断点功能提供首选调试环境。很多MCU解决方案支持可最多32个中断/复位源。

  传感和控制应用的内存要求通常是8K字节 的闪存和512字节的RAM,或者最低4K字节的闪存和256字节的RAM。全操作电压和温度条件下的闪存读取、编程或擦除是必需的。

  各种操作模式都能够精确控制功耗,这是延长电池寿命的一个关键功能。希望MCU支持常规操作(运行模式)、进行芯片调试的活动背景模式、各种停止模式(总线和CPU时钟暂停)和等待模式。

  考虑使用具有内部时钟源模块的微控制器,内部时钟源模块包含一个由内部或外部参考控制的频率锁定环(FLL),内部参考的精确调节实现了温度和电压0.2%的分辨率和2%的误差。内部时钟源模块应支持1MHz至10MHz的总线频率。具有关键模块可选时钟输入的MCU能够控制时钟,以驱动模块功能。而且,希望MCU具有低功率振荡器模块,其中软件可选择晶体或陶瓷振荡器的频率范围为31.25kHz至38.4kHz或1MHz至16MHz ,最高支持20 MHz的外部时钟源输入。

  所选择的MCU必须能够提供系统保护,如看门狗计算机操作适当(COP)复位等选项,具有运行专用的1kHz内部时钟源或总线的替代方案。其他"必须具有"的系统保护功能包括低压检测(通过复位或中断)、非法操作码检测(通过复位)、非法地址检测(通过复位)和闪存块保护。

  各种嵌入式外围设备将简化设计人员的应用实施。建议使用8信道、10位模数转换器(ADC)来实现精确的逐步逼近法。考虑硬件可触发的ADC,它使用RTI计数器并具有自动比较、异步时钟源、温度传感器和内部带隙参考信道功能。

  传感和控制应用的其他必需外围设备包括:具有比较内部参考选项的模拟比较器模块、串行通信接口模块(SCI)、串行外围设备接口模块(SPI)、内部集成电路(IIC)总线模块、2信道计时器/脉宽调节器(用于输入捕捉、输出比较、缓冲边缘对齐的PWM或缓冲中央对齐的PWM)、带前置分频器的8位模数计时器模块、具有边缘或边缘/水平模式上软件可选极性的8管脚键盘中断模块。

  有多种小体积MCU封装选项都能够满足传感和控制设计要求,从而帮助优化有限的主板空间,特别是在最终节点、电池操作的功能中。能够满足这些注意事项的几种微控制器封装是低管脚数量塑料双列直插式封装(PDIP)、方形扁平无铅封装(QFN)、薄型小外形封装(TSSOP)、双排平面无铅封装(DFN)、窄体小外形封装(NB SOIC)。

  作为MCU选择的一部分,还要慎重考虑硬件和软件设计工具的易用性、文档清晰性、参考设计、可用应用代码和其他设计支持服务。射频或调制解调器的设计也同样如此,MCU的有效集成开发环境(IDE)应当包括GUI驱动工具,其内置功能和工具能够简化编码和工程文件管理,以加快设计进程。抽象硬件层并生成特定微控制器的优化C码(根据应用定制)的专家工具能够让设计人员把精力集中到应用概念上。同时需要考虑快速而轻松的调试以及闪存编程功能,还有助于使用一些允许设计人员创建可重复利用软件组件的功能,实现工程间的再利用。

  

  传感、监视和控制子系统的参考设计

  传感、监视和控制子系统的参考设计通常很重要,因为应用基线从这里演进一些特定的设计需求。例如,无线UART参考设计就采用SiP解决方案,这是飞思卡尔半导体的MC13211 RF收发器。飞思卡尔1321X-SRB传感器参考主板的示意图文件、物料清单、Gerber文件、软件工程文件(.mcp)和其他设计支持材料请见:www.Freescale.com/zigbee。作为参考设计的一部分,1321X-SRB (图 5)包括飞思卡尔MMA7260Q 三轴加速传感器。因此,参考设计包含在几分钟内构建工作网络所需的所有组件,以实现快速的概念验证。同时,参考设计的开发使用无限使用许可,实现了控制器或SMAC代码库的轻松媒体接入。使用飞思卡尔的BeeKit无线连通性工具包和CodeWarior IDE(下载32K字节版本无需额外成本),您可以立即从mcp文件(与参考设计一起提供的Wireless_Uart.mcp)中开始您的应用软件开发。

  要建立新工程,只需从以下链接中下载免费赠送的BeeKit GUI无线设置软件工具就可以了:

  http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp code=BEEKIT_WIRELESS_CONNECTIVITY_TOOLKIT&nodeId=01J4Fs25657103&fpsp=1&tab=Design_Tools_Tab

  选择BEEKITDOWNLOADPACKAGE.ZIP (最后一个条目),按照包含在工具下载包中的使用简便的说明安装BeeKit 。启动BeeKit,您就可以看到逐步说明。解决方案探测器和向导能够让在创建工程前快速配置参数,从而降低了通过单个文件手动配置参数和分类的需要。综合代码库提供无线联网库、应用模板和应用示例。

  一旦工程创建完毕,您就可以进行定制(如需要的话),BeeKit将验证您定制的每一个工程选择,以确保没有冲突。一旦设置了无线解决方案,您就可以采用.xml 文件导出工程,并导入CodeWarrior,开始您的应用软件开发。

  如果您使用的是其他供应商的不同参考设计,支持文件一般都可以通过web 下载从供应商那里获得。所有下载必须包括必要的示意图、物料清单、Gerber文件、软件和其他文档,以便进行完整的参考设计实施。

  简化嵌入式工程师的无线区域网络设计工作,提高最终产品的价值

  通过有组织的研究和分析工作,就会出现无线联网应用解决方案的清晰选择。嵌入式系统设计人员可以生成一些信息,做出一个能够更好地把增值无线联网功能融入其最终产品的合理决策。在矩阵分析开发方面所做的积极努力将通过减少开始时的挫折和错误机会,节约大量的设计时间和费用。该矩阵将帮助您选择最佳的无线解决方案 ,为工程设计管理层提供设计决策演进方面的可视模式。参考设计解决方案由最富有经验的无线和有线半导体供应商提供。

  积极的、富有逻辑的、组织严密的设计评估与可靠的参考设计的结合有助于简化WPAN 设计和开发,实现最快的产品上市和销售。

  支持信息

  飞思卡尔半导体的传感、监视和控制应用无线联网解决方案

  飞思卡尔半导体为那些希望在最终产品中树立全新典范的嵌入式工程师提供了一套完整解决方案。飞思卡尔半导体主板系列满足了上面提到的低成本无线联网实施所必需的设计要求,它们包括:

  RF调制解调器或收发器解决方案 (简单MAC、802.15.4 MAC和ZigBee),它们可以与各种MCU产品结合使用(与HCS08 和ColdFire MCU系列结合使用的MC1320x 收发器系列)

  集成收发器解决方案(简单MAC、802.15.4 MAC和 ZigBee),内置MCU、统封装(SiP)(MC1321xSiP系列)

  模拟组件

  感器组件

  为了实现ZigBee及其他低成本、低功率无线网络的轻松实施,您可以从如下链接中找到参考设计、应用说明、硬件开发工具、软件设计工具和更为详细产品信息资源:http://www.freescale.com/zigbee。

关键字:解决方案  ZigBee  无线联网  Gerber文件  小外形封装  模拟比较器  矩阵

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2008/0728/article_917.html
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