【文章內(nèi)容簡介】 要軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) 。該方法要求在設(shè)計(jì)時(shí)從系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)考慮，把實(shí)現(xiàn)時(shí)的軟硬件同時(shí)考慮進(jìn)去，既可最大限度地利用有限資源，縮短開發(fā) 的 周期，又能取得更好 的 設(shè)計(jì)效果。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)一個(gè) 基于 zigbee 的智能家居網(wǎng)絡(luò) （ 一個(gè) 星型網(wǎng)絡(luò) ） ，由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者和若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端 節(jié)點(diǎn) 設(shè)備構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理工作，而終端 節(jié)點(diǎn) 設(shè)備一方面采集模南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 擬數(shù)據(jù)，同時(shí)把這些模擬數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)者。由于本方案的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在軟件設(shè)計(jì)，因此并沒有著重考慮設(shè)備的功耗和成本，因此在硬件平臺(tái)選型時(shí)，可能并非是成本最低的方案， 而是為了軟件調(diào)試的方便，選擇了功能相對(duì)較強(qiáng)的處理器。軟件平臺(tái)的選擇同樣有此因素，在選擇時(shí)考慮了調(diào)試和編程的方便忽略了額外開銷的成本。由于本設(shè)計(jì)需要，只設(shè)計(jì)一個(gè)終端模塊。 硬件平臺(tái) 在總體方案確定下來以后，就要開始對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行選型。選擇一個(gè)功能和成本都比較合適的硬件，是進(jìn)行具體開發(fā)的第一步。 選型原則 硬件平臺(tái)選型主要是處理器的選擇，最終的選擇必須 滿足以下的 測試： （ 1）是否便于實(shí)現(xiàn) （ 2）是否能提供足夠的性能 （ 3）是否有合適的操作系統(tǒng)支持 （ 4）是否有大量合適的開發(fā)工具支持 除 了上述通用的選型標(biāo)準(zhǔn)外，針對(duì)于 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，還必須有功耗、成本和芯片封裝的限制。 Freescale 公司是 Zigbee 聯(lián)盟的重要成員和 Zigbee 技術(shù)的市場推廣者，為 Zigbee 提供“一站式 ” 的解決方案，包括完全符合 規(guī)范的射頻芯片MC13192/3，以及針對(duì)該市場推出的超低功耗控制器系列，包括 8 位的 MC9S08GX 系列。 本設(shè)計(jì)選取 MC9S08GT60 和 MC13192 來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。 由于 zigbee 具有廣闊的應(yīng)用前景，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商紛紛推出了支持 標(biāo) 準(zhǔn) 的 無 線 收 發(fā) 芯 片 ]18[ ， 比 較 典 型 的 有 飛 思 卡 爾 公 司 的MC13191/13192/13211/13222/13223/13224， ChipCon公司的 CC2420,CC2430， Atmel 公司的 AT86RF210/230 等，這些芯片集成了 zigbee 物理層的功能，并且所需外圍元件少，所以使用起來比較方便。 因?yàn)橹拔覀冞x擇了飛思卡爾公司的 MCU，所以在這里我就選擇了 MC13192 作為本設(shè)計(jì)中的射頻模塊。下面介紹 MCU 和射頻模塊。 第二章 總體設(shè)計(jì) 10 微處理器 MC9S08GT60 簡介 ]19[ 家庭節(jié)點(diǎn)一般為半功能設(shè)備，由電池供電，為延長更換電池的時(shí)間，我們選用低功耗處理器， MC9S08GT60 是 Freescale 公司推出的超低功耗系列 MC9S08GX 中的一款。其主要特性如下： （ 1） CPU： HCS08 核，最高總線頻率可達(dá) 40MHz；增加了 16位指令，能靈活方便地訪問 16 位 HX寄存器。同時(shí)支持 1個(gè) WAIT 和 3個(gè) STOP 模式，對(duì)低功耗模式提供全面的支持。 （ 2）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊： 8/10 位的采樣精度； 2MHz 的采樣頻率，可滿足一般傳感器輸入輸出 要求。 （ 3）存儲(chǔ)器：最精簡的 ZigBee 協(xié)議棧大約為 8K字節(jié)，最完整的 ZigBee 協(xié)議大約為32K 字節(jié)左右， MC9S08GT60 有 FLASH 60K 完全夠用。 （ 4）背景調(diào)試模塊：能利用單線對(duì) HCS08 核的系列 MCU 進(jìn)行方便地寫入和調(diào)試，加快開發(fā)的速度并大大降低了調(diào)試的難度。 （ 5） Condewarrior 集成開發(fā)環(huán)境：界面友好的 IDE，對(duì) 08 核提供完善的 C語言支持。 MC13192 簡介 ]20[ MC13192 是飛思卡爾公司推出的一種短距離、低功耗，工作 于 頻段的無線 射頻調(diào)制解調(diào)器 。它含有完全符合 標(biāo)準(zhǔn)的物理模塊，可用于 star、 P2P 和 mesh網(wǎng)絡(luò)。 配上一款合適的 MCU 可提一種性價(jià)比極高的短距離數(shù)據(jù)傳輸解決方案。 MC13192 與MCU 的接口比較簡單，只需要 一個(gè) IRQ 中斷請求線 ， 四線的 SPI和三個(gè)控制線。 SPI 用于MC13192 和 MCU 進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)通信， MCU 對(duì) MC13192 的配置和控制命令也通過 SPI進(jìn)行。MC1392 發(fā)生的事件通過 IRQ 管腳通知 MCU，并由 MCU 作出相應(yīng)的仲裁處理。 MC13192 的基本性能如下： （ 1） 16 個(gè)通信信道 （ 2）輸出功率：額定輸出為 0dB，也可以通過編程提高到最大輸出 4 dB。 （ 3）三種省電模式： Off 模式：電流小于 1uA； Hibernate 模式：電流約為 1uA； Doze 模式：電流約為 35uA（無時(shí)鐘輸出）； （ 4）片上 RAM 緩存：為使用價(jià)格低廉 MCU 的簡單應(yīng)用提供數(shù)據(jù)包收發(fā)的緩存功能； 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 （ 5）可編程時(shí)鐘頻率輸出供給 MCU； （ 6）四個(gè)內(nèi)部定時(shí)器：可削減 MCU的資源需求 。 節(jié)點(diǎn)具體設(shè)計(jì) Zigbee 平臺(tái)的控制電路硬件設(shè)計(jì)邏輯比較簡單，但是 射頻電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，尤其是想達(dá)到或超過標(biāo)準(zhǔn)的性能時(shí)，需要豐富的射頻電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。本章給出 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的硬件設(shè)計(jì)方案，即 網(wǎng)絡(luò)終端 節(jié)點(diǎn)的具體硬件設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì) 采用的 MCU 是 MC9S08GT60，射頻芯片是 MC13192，外圍設(shè)備是 2個(gè)串口。 圖 21為節(jié)點(diǎn)硬件示意圖它主要由射頻模塊、微處理器和天線組成。 M C 1 3 1 9 2 天 線 控 制 S P I T 6 0 圖 21 硬件示意圖 CPU支撐電路 MC9S08GT60 的支撐電路包括晶振和復(fù)位電路。晶振電路由 一個(gè) 4Mhz 的晶振 和 兩個(gè)22pf 的電容，以及一個(gè) 10MΩ 的電阻組成，具體電路連接如圖 22 所示。復(fù)位電路比較簡單， 只 需 要 把 RESET 管腳用一個(gè) 10KΩ 的電阻上拉到 Vcc 就可以了。 第二章 總體設(shè)計(jì) 12 X T A LE X T A L1 0 M Ω4 M H z2 2 p F2 2 p F 圖 22 GT60晶振電路 電源電路 微處理器 MC9S08GT60 的工作電源電壓 范圍在 ～ ，一般給其供應(yīng) 左右的直流電壓即可 ]21[ 。電路比較簡單，輸入電源的電壓寬度為 4～ 6V，通過一個(gè) 的直流線性穩(wěn)壓器 ，然后輔助 1個(gè) 10uF 電解電容和 1 個(gè) 的磁片電容濾去雜波就可以 。由于模擬電路和數(shù)字電路會(huì)相互干擾，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定，可以把模擬電路和數(shù)字電路通過電感或磁珠隔離。 串口通信電路 因?yàn)?MC9SO8GT60 支持 了 2個(gè)串口，每個(gè)串口需要 2 根線： TX 和 RX，分別進(jìn)行 發(fā)送和接收數(shù)據(jù) 。由于串口可能接到電腦的串口外設(shè)， 因此就 會(huì)產(chǎn)生電平不匹配的 現(xiàn)象 ，因此需要通過一個(gè)電平轉(zhuǎn)換的集成電路，本 設(shè)計(jì)就 選 了 MAXIM 公司的 MAX3232，具體線路邏輯示意圖見圖 23。 M A X 3 2 3 2G T 6 0T X D 1R X D 1T X D 2R X D 2T 1 I NR 1 O U TT 2 I NR 2 O U TU A R T 1U A R T 2 圖 23 串口電路連接圖 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 GT60 與 MC13192 接口電路 MC9S08GT6O 通過 4 線 SPI 接口對(duì) MC13192 的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，從而完成 MC13192 的控制和數(shù)據(jù)通信 ]22[ 。 GT60 和 MC13192 的接口電路有 8 根線： 4 線的 SPI 接口用于相互通信， 3 根控制線 和一根中斷線 。 SPI 通信時(shí)， MC13192 只能作為從機(jī)，因此對(duì)于 MCU 而言， MOSI 線是發(fā)送數(shù)據(jù)線而 MISO 線是接收數(shù)據(jù)線， SPI 的同步時(shí)鐘由 GT60 在SPSCK管腳上給出，連接到 MC13192 的 SPICLK 上。 ATTN 引腳的作用是 MCU 將 MC13192 從低功耗模式下喚醒，而 RXTXEN 管腳則用來使 MC13192 工作 ，也就是起使能的作用 。 MC13192上產(chǎn)生的所有中斷事件， 都 通過芯片上的 IRQ 管腳連接到 GT60 的 IRQ 管腳上，當(dāng) GT60接收到來自 MC13192 的外部中斷時(shí)，此時(shí)需 要查詢其中斷標(biāo)志寄 存器，來判斷產(chǎn)生中斷事件，并做出相應(yīng)的處理。在通常情況，為了實(shí)現(xiàn)低 功耗 的功能 ，射頻芯片的收發(fā)器 一般 都是 處于 關(guān)閉 狀態(tài) 的，只有在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)候才 被喚醒， 使其 處于工作狀 態(tài) ，這樣 就可以 大大 的 降低射頻芯片的功耗，實(shí)現(xiàn)低功耗的要求。 當(dāng)射頻芯片工作異常的時(shí)候， MCU 也可以通過 RST管腳來 使 復(fù)位射頻芯片。這 3 根控制線都由 GT60 的 GPIO 口來進(jìn)行控制，需要指出的是 PTE4 和 PTE6 必須用 10K歐 的電阻上拉， 起作用是 防止毛刺來干擾 MC13192 的正常工作。圖 24 為線路連接的邏輯示意圖。 M O S IM I S OS P S C KS SI R QP T E 4P T E 5P T E 6M O S IM I S OS P I C L KC EI R QA T T NR X T X E NR S TG T 6 0M C 1 3 1 9 2 圖 24 GT60與 MC13192硬件連接電路 MC13192 引腳說明： MOSI—— 主出從入，表示輸入 SPI 數(shù)據(jù)； MISO—— 主入 從出，表示輸出 SPI 數(shù)據(jù)； IRQ—— 低電平有效，產(chǎn)生中斷請求； 第二章 總體設(shè)計(jì) 14 ATTN—— 低電平有效，使射頻模塊從休眠模式向空閑模式轉(zhuǎn)換； RXTXEN—— 高電平有效，當(dāng)該引腳從低到高切換時(shí)，按照編者對(duì) SPI的設(shè)置，決定具體進(jìn)行發(fā)送還是接收數(shù)據(jù)。在 SPI 發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)期間，該引腳保持高電平，傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束，將該引腳切換為低電平。當(dāng)其保持低電平時(shí)，強(qiáng)制射頻模塊進(jìn)入空閑模式； 片選端 CE—— 由主機(jī) MCU驅(qū)動(dòng)片選端低電平有效信號(hào)啟動(dòng) SPI接口的一次數(shù)據(jù)傳輸。每次數(shù)據(jù)傳輸最少使用三次 SPICLK 的脈沖組，或者更多。 SPICLK—— 主機(jī)給 MC13192 提供 SPICLK 信號(hào)。在 SPICLK 信號(hào)的上升沿，數(shù)據(jù)輸入主機(jī)或者輸入從機(jī)，在 SPICLK 信號(hào)的下降沿，改變數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)。 RST—— 低電平復(fù)位有效的引腳，當(dāng)其保持低電平，射頻模塊處于待機(jī)模式，并且芯片內(nèi)的 RAM 和 SPI 寄存器等內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失，射頻模塊進(jìn)入空閑模式， SPI處于缺省狀態(tài)。 射頻電路 射頻電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件設(shè)計(jì)最復(fù)雜、最耗時(shí)的部分。由于許多電容電感的參數(shù)跟PCB 板的制作材料、厚度有密切關(guān)系，其實(shí)際值一般都是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，需要?jiǎng)討B(tài)的調(diào)整其大小，來滿足性能的要求 ]23[ 。 在此電路中，射頻芯片 MC13192 上有兩組引腳，分別是接收引腳 1（ RFIN）和引腳2（ RFIN+） 。發(fā)送引腳 PAO+和 PAO，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到以下幾點(diǎn)： （ 1）為減少電磁干擾，差分信號(hào)線間距設(shè)為 19mil 左右； （ 2）差分信號(hào)線的阻抗匹配選為 100 歐姆； MC13192 支撐電路 MC13192 的支撐電路包括電源電路，濾波電路和晶振電路，其邏輯連接如圖 25。 VBATT和 VDDINT 是電源輸入引腳， MC13192 的正常工作電壓為 ， 若 在 在 PCB 上 則 必須接一個(gè) 的 電容，起穩(wěn)壓作用 。 VDDA， VDDLO1 和 VDDLO2 為經(jīng)過整流的模擬電壓，須旁接一個(gè) 100pF的濾波電容。 VDD 為經(jīng)過內(nèi)部整流的數(shù)字電壓，旁接一個(gè) 200pF 的濾波電容。 VDDVCO 為 VCO 電路供電，同樣須旁路一個(gè) 220pF 的電容。 XTAL1 和 XTAL2 外接 16MHz的專用于 射頻電路的晶振，其旁路電容為 10pF。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 3 VV B A T TV D D I N TV D D AV D D L O 1V D D L O 2V D D DV D D V C OX T A L 1X T A L 21 0 p F1 0 0 n F2 2 0 p F2 2 0 p F1 0 p F4 . 7 u FM C 1 3 1 9 21 6 M H z 晶 振213 4 圖 25 MC13192的 支撐電路 天線電路 用于 射頻電路的 天線有 3種類型 ]24[ ：外接直立天線、片式天線 和 PCB天線 。在這三個(gè)里面， 外接直立天線的性能 說 最好 的 ，但 是 體積過大，只能用于對(duì)體積無要求的場合；片式天線采用集成電路來實(shí)現(xiàn)， 其 性能一般，而且很難根據(jù)實(shí)際 來調(diào)整本身的 性能；相比較而言， PCB 天線具