Zigbee芯片低功耗測(cè)試平臺(tái)研究

李 輝，須自明，廖巨華

（1.飛思卡爾半導(dǎo)體中國(guó)研發(fā)中心蘇州分部，江蘇 蘇州 215011；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035；3. 江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心教育培訓(xùn)中心，江蘇 無(wú)錫 214000）

1 引言

低功耗無(wú)線通信技術(shù)是目前全球低能耗領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突破性發(fā)展，為低功耗無(wú)線通信的發(fā)展創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)，使其在工業(yè)、消費(fèi)電子、軍事、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有很高的技術(shù)應(yīng)用前景。其中Zigbee是重點(diǎn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的兼容版本，它是針對(duì)低速無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)設(shè)計(jì)的符合IEEE規(guī)范的官方標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4 GHz頻段，最多支持16個(gè)傳輸速率為250 kb/s的信道，適合星形、簇形和網(wǎng)狀三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

Zigbee的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)共分為4層，從上到下分別為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、多媒體訪問(wèn)控制層（MAC）和物理層。每一層為它的上一層提供數(shù)據(jù)與管理服務(wù)。其中，物理層和MAC層采用了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了定制[1]。

Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的物理層規(guī)定了3個(gè)有效頻段，分別是868 MHz、915 MHz和2.4 GHz。其中在中國(guó)常用的2.4 GHz頻段上采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而提高了設(shè)備的抗干擾性。MAC層為傳輸提供可靠的數(shù)據(jù)通信鏈路與安全機(jī)制。在MAC層，不同的幀類型采用相同的結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)調(diào)用自定義的API函數(shù)構(gòu)造不同的幀。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是建立管理網(wǎng)絡(luò)、提供路由機(jī)制等。在應(yīng)用層中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有16 位網(wǎng)絡(luò)地址和64位IEEE地址，并且還有8位的應(yīng)用層入口地址對(duì)應(yīng)于應(yīng)用對(duì)象。

相對(duì)于Wi-Fi、藍(lán)牙等其他無(wú)線通信技術(shù)，Zigbee技術(shù)憑借其功耗和成本上的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越廣泛地用于低速率、低功耗的網(wǎng)絡(luò)[2]。

本文的研究對(duì)象是包含有Zigbee收發(fā)模塊的SOC芯片，在低功耗的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上為其搭配紐扣電池，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中監(jiān)測(cè)電池的耗電數(shù)據(jù)，從而研究Zigbee芯片的低功耗性能。

2 Zigbee低功耗測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 Zigbee SOC芯片架構(gòu)

本文所測(cè)試的Zigbee芯片是一個(gè)符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的高性能片上系統(tǒng)（SOC），它包含一個(gè)完整的低功耗2.4 GHz的TX和RX開(kāi)關(guān)射頻收發(fā)器，一個(gè)8位CPU以及外圍的功能模塊。該芯片是針對(duì)無(wú)線射頻遙控和其他低功耗的應(yīng)用，例如家里的電視和娛樂(lè)系統(tǒng)，其均可作為IEEE 802.15.4和Zigbee終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

該芯片的功能特征包括：

（1）集成8位CPU；

（2）最高頻率達(dá)32 MHz；

（3）片上存儲(chǔ)器包括128 kB閃存及8 kB的RAM；

（4）外設(shè)包括SCI、SPI、I2C、KBI，載波調(diào)制定時(shí)器（IR），32個(gè)輸入/輸出端口（GPIO），12位ADC；

（5）其供電范圍是1.8～3.4 V。

圖1 Zigbee芯片架構(gòu)圖

2.2 測(cè)試芯片的工作模式

本文的Zigbee功能芯片是一個(gè)高集成度的SOC芯片，具有多種功耗模式：

（1）SLEEP模式中停止系統(tǒng)時(shí)鐘并使電壓調(diào)節(jié)器處于等待狀態(tài)，CPU關(guān)閉以節(jié)省電力，總線時(shí)鐘被限制為250 kHz。

（2）STOP模式部分電源內(nèi)部電路的內(nèi)容被保留下來(lái)，RAM的I/O運(yùn)行。所有內(nèi)部電路供電可以快速恢復(fù)（32 MHz振蕩器開(kāi)關(guān)可選）。

（3）RUN模式的CPU時(shí)鐘設(shè)置為500 kHz且總線時(shí)鐘為250 kHz。

2.3 Zigbee低功耗應(yīng)用測(cè)試電路設(shè)計(jì)

基于低功耗的Zigbee開(kāi)發(fā)電路設(shè)計(jì)有多種方案，本文采用最為典型的應(yīng)用方案。該電路是一個(gè)完整的IEEE 802.15.4/Zigbee無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。PCB（印刷電路板）有很小的形狀系數(shù)（form factor），采用兩層金屬層來(lái)制成天線，因此RF電路部分是小尺寸設(shè)計(jì)。

電路的用戶測(cè)試接口包括：

（1）電源管理電路，包括直流適配電路，干電池供電電路，紐扣電池供電電路；

（2）12針GPIO接口卡；

（3）6針UART接口卡；

（4）振蕩器，24 MHz及32.768 kHz晶振；

（5）JTAG調(diào)試電路；

（6）LED；

（7）PCB RF天線。

圖2顯示為Zigbee低功耗應(yīng)用測(cè)試電路。

圖2 Zigbee低功耗節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)測(cè)試電路

2.4 針對(duì)低電壓電池的耗電測(cè)量方案

2.4.1 測(cè)試電池規(guī)格

為了測(cè)試Zigbee電路在極低功耗網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，本文將采用紐扣電池供電，并測(cè)量紐扣電池的耗電情況。采用常見(jiàn)的CR2032鋰電池，其規(guī)格如表1所示。

2.4.2 電池電量壽命計(jì)算

很明顯，這種類型的紐扣電池是專為低電壓低功耗系統(tǒng)供電的。高峰值瞬態(tài)電流會(huì)影響電池的性能和壽命，本文所測(cè)試的負(fù)載電流均由Zigbee測(cè)試電路產(chǎn)生。電池壽命的計(jì)算是依據(jù)基于時(shí)間軸的平均負(fù)載電流。為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，本測(cè)試只考慮睡眠（Sleep）和TX/RX電流負(fù)載。表2顯示了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的電池壽命計(jì)算。

表1 測(cè)試電池規(guī)格

從圖2可以看出，壽命值主要是受脈沖放電（傳輸RX/TX）影響的，其中測(cè)試的應(yīng)用程序花費(fèi)了較少的時(shí)間。睡眠模式對(duì)于電池的壽命影響很少。對(duì)于真實(shí)的應(yīng)用電路，電池電量主要是由信道掃描和數(shù)據(jù)傳輸來(lái)消耗的。

2.4.3 并聯(lián)電容計(jì)算

沖擊負(fù)載對(duì)于紐扣電池CR2032的影響是通過(guò)一個(gè)基于典型的802.15.4 MAC工作循環(huán)測(cè)試程序來(lái)完成的。我們的目的是證明Zigbee無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）在極低功耗的供電環(huán)境下是可能實(shí)現(xiàn)的[3]。

表2 電池壽命計(jì)算（數(shù)據(jù)傳輸程序）

典型的負(fù)載電流分布在不同的運(yùn)行階段，包括睡眠、處理、傳輸和接收。在802.15.4 MAC層傳輸實(shí)例中，對(duì)于平行電容用于在高峰負(fù)載的情況下保持輸出電壓，我們可以用以下計(jì)算公式來(lái)得出，電容供電電壓下降的確定：

其中：C=470 μF，I=30 mA，ΔT=35 ms。

產(chǎn)生的電壓降是：

Δu=（1/470×10-6）×30×10-3×35×10-3= 2.23 V

從另外一個(gè)角度來(lái)看，電容在電路由于電壓過(guò)低而復(fù)位前能夠保持電壓的時(shí)間是：

Δt=（C×Δu）/I

在Δu被假定為1.2 V、名義供電電壓3 V和最小電壓為1.8 V 的規(guī)范中得出：

Δt=（470×10-6×1.2）/30×10-3= 18.8 ms

這表明，使用一個(gè)大的儲(chǔ)能電容器可以支持典型的802.15.4 MAC層的傳輸過(guò)程。大電容可以很容易地支持電池在非連續(xù)的短數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，例如5 ms的突發(fā)傳輸。然而在長(zhǎng)期的傳輸中由于電池內(nèi)阻的原因必然會(huì)導(dǎo)致電池電壓水平下降，從而使電池電量耗盡。電容值的選擇最終取決于應(yīng)用程序的要求。另一個(gè)因素是考慮到電容器的漏電流也會(huì)減少電池壽命。電容器漏電流連續(xù)放電的電池，取決于諸如電容值的因素、名義額定電壓及采用的生產(chǎn)工藝技術(shù)[4]。

3 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

測(cè)試中，在模擬真實(shí)應(yīng)用的情況下來(lái)檢測(cè)電池的使用壽命，包括電量的耗盡時(shí)間、對(duì)瞬態(tài)峰值負(fù)載的忍受情況，來(lái)確定像紐扣電池這樣低電壓低容量的供電系統(tǒng)是否可以承擔(dān)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電任務(wù)。

3.1 測(cè)量設(shè)置

如圖3所示，CR2032與大儲(chǔ)能電容并聯(lián)，與1 Ω電阻串聯(lián)用于監(jiān)視供電電流的情況。

圖3 電流測(cè)量電路

在固件程序中設(shè)置發(fā)送信標(biāo)或數(shù)據(jù)包定義的時(shí)間間隔。終端設(shè)備在非工作時(shí)間進(jìn)入睡眠（Sleep）狀態(tài)。協(xié)調(diào)器的作用是做出MAC應(yīng)答，捕獲在無(wú)線傳輸中的傳輸次數(shù)。數(shù)據(jù)包也通過(guò)數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳的增值提供相同的信息。

3.2 測(cè)量結(jié)果

表3說(shuō)明了實(shí)際測(cè)量結(jié)果。測(cè)試情景模擬真實(shí)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況。例如，主動(dòng)掃描程序是用來(lái)傳輸一個(gè)信號(hào)并等待應(yīng)答。最短的等待時(shí)間是由Zigbee（IEEE 802.15.4）規(guī)范定義的31 ms。因此，電源必須提供在這31 ms時(shí)間中的約30 mA電流。接收機(jī)必須在這個(gè)期間一直使能。在802.15.4中定義當(dāng)Zigbee節(jié)點(diǎn)試圖在16個(gè)可能頻率通道尋找協(xié)調(diào)器時(shí)主動(dòng)掃描程序啟動(dòng)。同時(shí)另一個(gè)測(cè)試用重復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸100個(gè)字節(jié)，時(shí)間間隔是1 s和0.5 s。這個(gè)測(cè)試默認(rèn)的發(fā)射機(jī)功率電平被設(shè)置為–1 dBm。測(cè)量結(jié)果用兩種情景表示：反復(fù)信標(biāo)掃描和重復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸。

表3 測(cè)量結(jié)果

理論容量是由基于消耗時(shí)間的負(fù)載電流決定的。信標(biāo)掃描階段電量的需求是基本數(shù)據(jù)傳輸階段的6倍。在這些電路設(shè)置的參數(shù)下測(cè)試進(jìn)行了3天。從表3中還可以看出電池的容量是隨大電流需求的增加而減少的。結(jié)果還表明，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)更長(zhǎng)的電池恢復(fù)期將帶來(lái)電池容量更好的綜合利用率。實(shí)際上，電池每次放電都需要時(shí)間來(lái)恢復(fù)。0.5 s數(shù)據(jù)傳輸間隔使電池容量使用率達(dá)到最小。重復(fù)掃描程序中，無(wú)并聯(lián)電容會(huì)帶來(lái)比有并聯(lián)電容更小的電池使用率。

圖4 傳輸數(shù)量導(dǎo)致電池電壓的變化

如圖4所示，電池電壓是隨傳輸?shù)臄?shù)量而變化的。測(cè)試共分成了4種情景：

（1）有并聯(lián)電容的重復(fù)掃描；

（2）無(wú)并聯(lián)電容的重復(fù)掃描；

（3）有并聯(lián)電容的情況下用1 s間隔傳輸100個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸；

（4）有并聯(lián)電容的情況下用0.5 s間隔傳輸100個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸。

這些實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)清晰地展示了低電量電池在脈沖放電條件下的特征表現(xiàn)。初步的基于負(fù)載電流的理論估值與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。1 s間隔的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)產(chǎn)生最好的電池利用結(jié)果（77%）。電壓下降值對(duì)應(yīng)于實(shí)際的內(nèi)部電阻的狀態(tài)。并聯(lián)電容器的使用影響著內(nèi)阻的增長(zhǎng)率。

4 結(jié)論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，針對(duì)紐扣電池供電的Zigbee節(jié)點(diǎn)電路，我們可以通過(guò)以下方式來(lái)增加電池的供電壽命，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)Zigbee系統(tǒng)在極低功耗應(yīng)用中的更佳性能：

（1）可以通過(guò)測(cè)試電池內(nèi)阻來(lái)確定電池的電性能狀態(tài)。它與剩余電池容量成正比，當(dāng)電池快耗盡時(shí)更為明顯。

（2）當(dāng)Zigbee電路以更穩(wěn)定更小的電流工作時(shí)，紐扣電池處于最佳工作狀態(tài)。高峰值瞬態(tài)電流會(huì)大大減少電池的壽命。

（3）在Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中盡量使用大容量電容來(lái)吸收高峰值瞬態(tài)電流，以此來(lái)保護(hù)電池。

（4）低泄漏值的大容量電池，可以保護(hù)電池，從而增加Zigbee節(jié)點(diǎn)的供電壽命。

（5）在Zigbee芯片的MCU中必須對(duì)于STOP模式下的配置給予高度重視，避免任何可能的管腳浮空，所有的管腳不使用時(shí)必須接地以避免這種情況，以此來(lái)避免系統(tǒng)功耗的增加。

以上研究分析了Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路在低電壓低電容的應(yīng)用環(huán)境中的功耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以在極低功耗要求的環(huán)境中工作。本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)可以作為更廣泛的低功耗電路的參考方案，對(duì)于無(wú)線通信領(lǐng)域的低功耗研究有一定借鑒意義。

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