飛思卡爾ＺｉｇＢｅｅ射頻芯片ＭＣ１３１９２的原理與應(yīng)用

朱小杰　孫長燕　孫肖子

ZigBee技術(shù)是一種低速率無線傳輸技術(shù)，它基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)的突出特點(diǎn)是應(yīng)用簡單、電池壽命長、組網(wǎng)能力強(qiáng)、可靠性高以及成本低。與已經(jīng)在市場上推廣了很多年的藍(lán)牙技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)的傳輸速率要低一些(ZigBee的峰值速率為250kbps，藍(lán)牙的峰值速率為750kbps)，但ZigBee的待機(jī)功耗比藍(lán)牙要低1到2個數(shù)量級(ZigBee為3～40μA，藍(lán)牙為200μA)。由于以上的優(yōu)點(diǎn)，ZigBee技術(shù)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(yīng)式網(wǎng)路，提供感應(yīng)辨識、燈光與安全控制等功能 ；而在未來的網(wǎng)絡(luò)家庭中，像空調(diào)系統(tǒng)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(yīng)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(shù)。

MC13192是飛思卡爾公司提供的符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的帶數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器的射頻收發(fā)芯片。該芯片性能穩(wěn)定，功耗很低，采用經(jīng)濟(jì)高效的CMOS設(shè)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(chǎn)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(jìn)行ZigBee相關(guān)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(diǎn)

MC13192符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它選擇的工作頻率是2.405～2.480GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用O-QPSK調(diào)試方式。這種功能豐富的雙向2.4GHz收發(fā)器帶有一個數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，可以在ZigBee技術(shù)應(yīng)用中使用，它還具有一個優(yōu)化的數(shù)字核心，有助于降低MCU處理功率，縮短執(zhí)行周期。內(nèi)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(wù)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(zhì)量和電源檢測功能可以為組網(wǎng)和維護(hù)提供必要的數(shù)據(jù)。除此之外，芯片還具有以下的特性 ：全頻譜編碼和譯碼；經(jīng)濟(jì)高效的CMOS設(shè)計，幾乎不需要外部組件；可編程的時鐘，供基帶MCU使用；標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI（以4MHz或更高頻率運(yùn)行） ；擴(kuò)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(nèi)部結(jié)構(gòu)

芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。芯片主要由模擬接收發(fā)射部分、數(shù)字調(diào)制解調(diào)部分、片內(nèi)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(jìn)來的射頻信號經(jīng)過兩次下變頻之后變成兩路正交信號（I和Q）,片內(nèi)集成的CCA（空閑信道評估）模塊根據(jù)接收到的基帶信號的能量進(jìn)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(shù)字接收端通過差分碼片檢測（DCD）后經(jīng)過相關(guān)器對直接序列擴(kuò)頻（DSSS）進(jìn)行解擴(kuò)，經(jīng)過符號同步檢測和包處理以后最終得到接收到的數(shù)據(jù)。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(chǎn)生，根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每４個比特被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻，擴(kuò)頻以后的信號送到相位開關(guān)調(diào)制器上以O(shè)-QPSK的方式通過直接上變頻調(diào)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(yīng)用電路

圖2是MC13192應(yīng)用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備典型應(yīng)用電路。要發(fā)送的信號從MCU通過SPI口傳送到MC13192中，經(jīng)過擴(kuò)頻O-QPSK調(diào)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(jīng)過收通路傳送到MC13192中，經(jīng)過解調(diào)、解擴(kuò)得到原始的數(shù)據(jù)，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(dāng)然，從實際設(shè)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(wǎng)絡(luò)和單刀雙擲開關(guān)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(jīng)過變壓器Z2后合成一路信號，通過單刀雙擲開關(guān)μPG2120TK-E2和由L3和C12組成的窄帶匹配網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量的影響，在印制板排版時應(yīng)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(yīng)該與晶體振蕩器負(fù)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(nèi)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(yīng)用中對這幾個輸出的旁路電容的要求比較嚴(yán)格，在設(shè)計印制板的時候同樣應(yīng)該將它們的旁路電容的位置盡量靠近相應(yīng)的輸出管腳。

芯片通過標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(dāng)然也可以通過開關(guān)等外加電路來對工作模式的控制進(jìn)行擴(kuò)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(shè)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?qū)π酒M(jìn)行復(fù)位操作。

MCU的選取

MC13192芯片只是ZigBee技術(shù)平臺解決方案的一個組件，在具體的實現(xiàn)中必須根據(jù)實際需要選擇合適的處理設(shè)備，所選擇的處理設(shè)備必須集成支持IEEE802.15.4 MAC和ZigBee軟件，才能構(gòu)成完整的解決方案。考慮到與MC13192良好的兼容性和較好的技術(shù)支持，可以優(yōu)先考慮使用飛思卡爾提供的適合ZigBee技術(shù)的處理設(shè)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(dāng)，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(shè)備集成的軟件，設(shè)計者可以根據(jù)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(jīng)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(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)：可支持對等的、星狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；可支持可選的上層Z-Stack ZigBee;省電模式（休眠、應(yīng)用可配置）；安全性好；載波偵聽多點(diǎn)接入/沖突，避免（CSMA-CA）通道訪問；可選的帶信標(biāo)的超幀結(jié)構(gòu)；有保證的時間槽（GTS）機(jī)制。

MC13192用于ZigBee－Ready平臺

飛思卡爾為終端產(chǎn)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(chǎn)品和支持服務(wù)，與通過多個供應(yīng)商獲得產(chǎn)品和支持相比，這種一站式服務(wù)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(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)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(yīng)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(jù)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(jīng)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(jīng)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(jìn)來，通過SPI傳送到MCU上，經(jīng)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。