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基于AT86RF230 ZigBee的WPAN网络设备设计

发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:405

2002年英国invensys、日本三菱电气、美国motorola三家公司宣布组成zigbee技术联盟，共同研究zigbee技术。ieee也于2003年制定了针对lr-wpan(lowrate wireless personal area networks)的ieee 802.15.4-2003无线规范，定义了一种新的无线设备的物理层和mac层，并致力于开发一种可应用在固定、便携或移动设备上的，低成本、低功耗和低速率的无线连接技术，其目标功能是自动化控制，采用dsss扩频技术，有效覆盖范围根据不同速率可达0～300 m。

ieee 802.15.4-2003协议共规定了27个通信信道：868 mhz有1个，速率为20 kbps；915 mhz有lo个，速率为40kbps；2.45 ghz有16个，速率为250 kbps。支持星形、树形和网状3种拓扑结构，按照功能划分网络中有完全功能(ffd)和简化功能(rfd)两种不同类型的设备。为了简化协议，ieee 802.15.4-2003满足osi参考模型，规定了物理层和mac层，每一层完成自身所规定的任务，并向上层提供服务任务接口。协议中数据通信方式可分为直接数据传送和间接数据传送两种，并且以数据帧的形式打包发送出去。网络可以在超帧和非超帧的模式下工作，为了提高其可靠性采用了csma／ca的媒质访问控制机制、确认帧的应答方式和crc-16 itu的校验机制，并可以加入一些数据加密和安全控制模式。出于低功耗、低成本考虑，物理层只有14条服务原语，mac层有35条原语。与蓝牙相比，这些原语只是它的1／3。

1 硬件电路设计

一般情况下ieee802.15.4网络设备的基本构成如图1所示。系统的电源通常由电池提供，也可以由稳压模块供给。rf收发芯片负责射频信号的产生和接收解调，其基准时钟由外部高精度的晶体振荡器提供；同时要实现一些物理层和mac层的基本功能，例如编解码、信道选择、功率控制、接收机能量检测(rssi)、链路质量指示(lqi)、空闲信道评估(cca)和硬件crc校验等。在实现这些基本功能的前提下，rf芯片应该尽量做到低功耗、高灵敏度和较小封装。微控制器要有丰富的资源来完成对rf芯片的控制，以及对传感器、各类应用接口和用户接口的实时响应。通常协议栈需要占用32 kb左右的存储空间。

1.1 at86rf230性能和内部结构

atmel公司的at86rf230是与zigbee／ieee802.15.4兼容的无线射频收发芯片。它工作在2.4 ghz ism频段，拥有104 db链路预算，-101 db的接收灵敏度和3 db的传输功率，从而减少网络中所需节点设备的总数，大大降低了ieee 802.15.4系统的组网成本。所有rf关键器件(除了天线、晶振、去耦电容外)都集成在一块芯片中，封装形式采用32引脚、5 mm×5 mm×0.9 mm大小的qfn封装。由该芯片所构成的设备仅需6个外部组件，功能框图如图2所示。终端节点通常是电池供电，发射模式下电流消耗为17 ma，接收模式下为15 ma，睡眠模式下仪为0.7μa；工作电压可达1.8～3.6 v，内部有集成的1.8 v ldo。at86rf230内部有35个可以通过spi控制时序访问的8位寄存器，工作时有8个基本状态(可以根据需要扩展为14个)。片内发送数据和接收数据的缓冲分别为129字节和130字节，正好可以满足ieee802.15.4协议规定的最大帧长度127字节的要求。发送时需要加2字节的crc16校验码，接收时还要多加1字节的链路质量指示。

1.2 网络设备的硬件电路构成

硬件主要部分原理图如图3所示，模块的数字接口为atmega1281与at86rf230之间的spi接口以及其他4条控制线。at-mega1281是atmel公司的8位高性能的avr单片机。其基本特征有：采用risc构架，具有135条指令，工作在16 mhz时吞吐率可达16mips；片内具有128 kb flash、4 kb片内e2prom和8 kb sram，可以通过isp或jtag下载程序；工作频率最高可达16 mhz，工作电压为1.8～5.5 v，掉电模式下只有0.1μa的工作电流。在本设计中atmega1281工作于内部为8 mhz的振荡频率下。 如果要采用与at86rf230同步的外部时钟信号，那么clkm引脚应接到atmega1281的xtal1脚上，并且熔丝位要设置为外部时钟。at86rf230的各种工作状态中断信号由irq脚控制，这里接到atmega128l的icp1脚产生捕获中断，因为捕获中断可通过设置噪声消除方式来减少外界的干扰，从而提高中断的可靠性。有关at86rf230寄存器spi读写时序、状态转换图及各种中断控制的具体方法可以参阅参考文献[4]。还需注意，at86rf230所接外部晶振x1的长期工作频率稳定度要小于等于40ppm，并根据晶振和芯片的驱动能力选择合适的负载电容。

2002年英国invensys、日本三菱电气、美国motorola三家公司宣布组成zigbee技术联盟，共同研究zigbee技术。ieee也于2003年制定了针对lr-wpan(lowrate wireless personal area networks)的ieee 802.15.4-2003无线规范，定义了一种新的无线设备的物理层和mac层，并致力于开发一种可应用在固定、便携或移动设备上的，低成本、低功耗和低速率的无线连接技术，其目标功能是自动化控制，采用dsss扩频技术，有效覆盖范围根据不同速率可达0～300 m。

ieee 802.15.4-2003协议共规定了27个通信信道：868 mhz有1个，速率为20 kbps；915 mhz有lo个，速率为40kbps；2.45 ghz有16个，速率为250 kbps。支持星形、树形和网状3种拓扑结构，按照功能划分网络中有完全功能(ffd)和简化功能(rfd)两种不同类型的设备。为了简化协议，ieee 802.15.4-2003满足osi参考模型，规定了物理层和mac层，每一层完成自身所规定的任务，并向上层提供服务任务接口。协议中数据通信方式可分为直接数据传送和间接数据传送两种，并且以数据帧的形式打包发送出去。网络可以在超帧和非超帧的模式下工作，为了提高其可靠性采用了csma／ca的媒质访问控制机制、确认帧的应答方式和crc-16 itu的校验机制，并可以加入一些数据加密和安全控制模式。出于低功耗、低成本考虑，物理层只有14条服务原语，mac层有35条原语。与蓝牙相比，这些原语只是它的1／3。

1 硬件电路设计

一般情况下ieee802.15.4网络设备的基本构成如图1所示。系统的电源通常由电池提供，也可以由稳压模块供给。rf收发芯片负责射频信号的产生和接收解调，其基准时钟由外部高精度的晶体振荡器提供；同时要实现一些物理层和mac层的基本功能，例如编解码、信道选择、功率控制、接收机能量检测(rssi)、链路质量指示(lqi)、空闲信道评估(cca)和硬件crc校验等。在实现这些基本功能的前提下，rf芯片应该尽量做到低功耗、高灵敏度和较小封装。微控制器要有丰富的资源来完成对rf芯片的控制，以及对传感器、各类应用接口和用户接口的实时响应。通常协议栈需要占用32 kb左右的存储空间。

1.1 at86rf230性能和内部结构

atmel公司的at86rf230是与zigbee／ieee802.15.4兼容的无线射频收发芯片。它工作在2.4 ghz ism频段，拥有104 db链路预算，-101 db的接收灵敏度和3 db的传输功率，从而减少网络中所需节点设备的总数，大大降低了ieee 802.15.4系统的组网成本。所有rf关键器件(除了天线、晶振、去耦电容外)都集成在一块芯片中，封装形式采用32引脚、5 mm×5 mm×0.9 mm大小的qfn封装。由该芯片所构成的设备仅需6个外部组件，功能框图如图2所示。终端节点通常是电池供电，发射模式下电流消耗为17 ma，接收模式下为15 ma，睡眠模式下仪为0.7μa；工作电压可达1.8～3.6 v，内部有集成的1.8 v ldo。at86rf230内部有35个可以通过spi控制时序访问的8位寄存器，工作时有8个基本状态(可以根据需要扩展为14个)。片内发送数据和接收数据的缓冲分别为129字节和130字节，正好可以满足ieee802.15.4协议规定的最大帧长度127字节的要求。发送时需要加2字节的crc16校验码，接收时还要多加1字节的链路质量指示。

1.2 网络设备的硬件电路构成

硬件主要部分原理图如图3所示，模块的数字接口为atmega1281与at86rf230之间的spi接口以及其他4条控制线。at-mega1281是atmel公司的8位高性能的avr单片机。其基本特征有：采用risc构架，具有135条指令，工作在16 mhz时吞吐率可达16mips；片内具有128 kb flash、4 kb片内e2prom和8 kb sram，可以通过isp或jtag下载程序；工作频率最高可达16 mhz，工作电压为1.8～5.5 v，掉电模式下只有0.1μa的工作电流。在本设计中atmega1281工作于内部为8 mhz的振荡频率下。 如果要采用与at86rf230同步的外部时钟信号，那么clkm引脚应接到atmega1281的xtal1脚上，并且熔丝位要设置为外部时钟。at86rf230的各种工作状态中断信号由irq脚控制，这里接到atmega128l的icp1脚产生捕获中断，因为捕获中断可通过设置噪声消除方式来减少外界的干扰，从而提高中断的可靠性。有关at86rf230寄存器spi读写时序、状态转换图及各种中断控制的具体方法可以参阅参考文献[4]。还需注意，at86rf230所接外部晶振x1的长期工作频率稳定度要小于等于40ppm，并根据晶振和芯片的驱动能力选择合适的负载电容。

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