ZigBee射頻晶元MC13192的原理與應用

    ZigBee技術是一種低速率無線傳輸技術，它基於IEEE802.15.4標準，工作頻率為868MHz、915MHz或2.4GHz，其中2.4GHz是一個開放的頻率。該技術的突出特點是應用簡單、電池壽命長、組網能力強、可靠性高以及成本低。與已經在市場上推廣了很多年的藍牙技術相比，ZigBee技術的傳輸速率要低一些(ZigBee的峰值速率為250kbps，藍牙的峰值速率為750kbps)，但ZigBee的待機功耗比藍牙要低1到2個數量級(ZigBee為3～40 uA，藍牙為200 uA)。由於以上的優點，ZigBee技術在低成本、低速率、低功耗的無線傳輸方面有很大的發展前景，例如在工業或企業市場，需要感應式網路，提供感應辨識、燈光與安全控制等功能；而在未來的網路家庭中，像空調系統的溫度控制器，燈光、窗帘的自動控制，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用，都非常需要和適合採用這種低成本、低速率、低功耗的無線傳輸技術。
    MC13192是飛思卡爾公司提供的符合IEEE 802.15.4標準的帶數據數據機的射頻收發晶元。該晶元性能穩定，功耗很低，採用經濟高效的CMOS設計，幾乎不需要外部組件。更重要的是，該晶元和飛思卡爾其他的ZigBee產品組合在一起可以搭建成飛思卡爾ZigBee-Ready平台，利用該平台進行ZigBee相關方面的開發工作可以有效地縮短工程師的開發時間，降低開發成本。

MC13192主要特點
    MC13192符合IEEE 802.15.4標準，它選擇的工作頻率是2.405～2.480GHz，數據傳輸速率為250kbps，採用O-QPSK調試方式。這種功能豐富的雙向2.4GHz收發器帶有一個數據數據機，可以在ZigBee技術應用中使用，它還具有一個優化的數字核心，有助於降低MCU處理功率，縮短執行周期。內部集成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使得MCU編程更為容易；晶元和MCU之間使用串列外圍介面，使得在MCU選擇上具有更大的餘地。晶元集成的連接質量和電源檢測功能可以為組網和維護提供必要的數據。除此之外，晶元還具有以下的特性：全頻譜編碼和解碼；經濟高效的CMOS設計，幾乎不需要外部組件；可編程的時鐘，供基帶MCU使用；標準的4線SPI(以4MHz或更高頻率運行)；擴展的範圍性能(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；晶元採用2.7V供電，接收狀態耗電37mA，發射狀態耗電30mA，功耗很低；QFN-32封裝，尺寸為5mm×5mm，是同類晶元中尺寸最小的。

MC13192內部結構
    晶元內部結構如圖1所示。晶元主要由模擬接收發射部分、數字調製解調部分、片內頻率合成器、電源管理部分以及與MCU介面部分組成。
    從天線接收進來的射頻信號經過兩次下變頻之後變成兩路正交信號(I和Q)，片內集成的CCA(空閑通道評估)模塊根據接收到的基帶信號的能量進行空閑通道評估檢測。CCA和前端的LNA(低雜訊放大器)都要受到AGC(自動增益控制)的控制。數字接收端通過差分碼片檢測(DCD)后經過相關器對直接序列擴頻(DSSS)進行解擴，經過符號同步檢測和包處理以後最終得到接收到的數據。通過SPI介面傳送到MCU。
    要發送的128位元組信號由MCU通過SPI介面傳送到MC13192的發送緩衝器中，頭幀和幀檢測序列由MC13192產生，根據IEEE802.15.4標準，所要發送的數據流的每4個比特被32碼片的擴頻序列擴頻，擴頻以後的信號送到相位開關調製器上以O-QPSK的方式通過直接上變頻調製到載波后通過天線發射出去。
    晶元還集成頻率合成器、電源管理模塊、定時器、中斷判決器以及用於接收、發射的存儲器電路。
 

MC13192應用電路
    圖2是MC13192應用於ZigBee網路終端設備典型應用電路。要發送的信號從MCU通過SPI口傳送到MC13192中，經過擴頻O-QPSK調製到載波后通過發通路從天線發射出去。從天線來的射頻信號經過收通路傳送到MC13192中，經過解調、解擴得到原始的數據，再通過SPI介面傳送到MCU，MCU同時提供對收發通路切換的控制。
 
    電路中的MC13192射頻信號採用差分輸入輸出的方法，天線採用的是與輸入輸出相匹配的平衡印製線天線，當然，從實際設計需要出發也可以使用晶元天線來替代印製線天線。從天線接收的射頻信號通過由L3和C12組成的窄帶匹配網路和單刀雙擲開關uPG2120TK-E2後傳送到變壓器Z1上，由Z1將其分解為兩路差分信號傳送到MC13192晶元的兩個射頻信號輸入管腳RIN-M和RIN-P上；要發射的兩路射頻信號從晶元的兩個射頻信號輸出端PAO_P和PAO_M輸出，經過變壓器Z2后合成一路信號，通過單刀雙擲開關uPG2120TK-E2和由L3和C12組成的窄帶匹配網路後傳送到天線上發射出去。
    需要注意的是晶元的PAO+和PAO-管腳需要和晶元的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量的影響，在印製板排版時應將晶體振蕩器的位置儘可能地靠近MC13192晶元的XTAL1和XTAL2管腳。電容C5、C6的值應該與晶體振蕩器負載電容相一致，MC13192晶元指定的晶振頻率為16MHz，穩定度需要在±40ppm之間。
    晶元的VDDA、VDDLO1、VDDLO2、VDDD、VDDVCO管腳是晶元內部電源管理部分的輸出，用來向晶元的其他部分供電。在實際應用中對這幾個輸出的旁路電容的要求比較嚴格，在設計印製板的時候同樣應該將它們的旁路電容的位置盡量靠近相應的輸出管腳。
    晶元通過標準的四線SPI介面與MCU相連，SPI介面可以在8MHz或者更小的頻率下工作就可以滿足晶元的使用要求。晶元可以通過CLKO管腳向MCU輸
出時鐘信號，該時鐘是通過SPI介面編程式控制制的，它的默認值為32.786 kHz(16MHz/488)。將晶元的ATTN管腳與MCU的一個GPIO相連使得MCU可以很容易地控制晶元的工作模式。當然也可以通過開關等外加電路來對工作模式的控制進行擴展以滿足實際需要。
    在實例中，MCU通過一個GPIO口和晶元的RXTXEN管腳相連，用來初始化晶元的收發操作。晶元也可以將該管腳設置為高電平，通過SPI編程來初始化晶元的收發操作。MCU通過一個GPIO口和晶元的衙管腳相連，用以在必要的時候對晶元進行複位操作。

MCU的選取
    MC13192晶元只是ZigBee技術平台解決方案的一個組件，在具體的實現中必須根據實際需要選擇合適的處理設備，所選擇的處理設備必須集成支持IEEE802.15.4 MAC和ZigBee軟體，才能構成完整的解決方案。考慮到與MC13192良好的兼容性和較好的技術支持，可以優先考慮使用飛思卡爾提供的適合ZigBee技術的處理設備。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，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。該系列共有四款晶元，它們分別是MC9S08GB32/GB60/GT16/GT60。
    對於處理設備集成的軟體，設計者可以根據自己的需要參考MC13192使用手冊編寫，也可以採用飛思卡爾已經編寫好的MAC層軟體。飛思卡爾開發的IEEE802.15.4MAC軟體作為ZigBee平台解決方案的一部分，符合協議標準，其體積很小，這樣將其集成到MCU上只佔很小的存儲空間。該軟體具有以下特點：可支持對等的、星狀和網狀網路拓撲；可支持可選的上層Z-Stack ZigBee；省電模式(休眠、應用可配置 安全性好；載波偵聽多點接入/衝突，避免(CSMA-CA)通段的射頻數據數據機MC13192、IEEE 802.15.4兼容性MAC軟體，以及一顆低電壓、低功耗的MCU HCS08系列晶元。
    ZigBee-Ready平台解決方案感測器應用的框圖如圖3所示。在圖示的例子中，MCU選擇的是MC9S08GT16，其性能道訪問；可選的帶信標的超幀結構；有保證的時間槽(GTS)機制。
 

MC13192用於ZigBee-Ready平台
    飛思卡爾為終端產品製造商推出一站式ZigBee-Ready平台。這種可升級的解決方案致力於為製造商提供完善的產品和支持服務，與通過多個供應商獲得產品和支持相比，這種一站式服務能夠幫助客戶減少開發時間和研發成本。該ZigBee-Ready平台包括工作在2.4GHz頻很好，而功耗卻很低，感測器根據需要選擇，可以是溫度感測器、壓力感測器、加速度感測器等。由感測器輸出的模擬信號經過MCU的8通道10位ADC變換后輸入到MCU，MCU通過SPI口和MC13192連接將從感測器採集的信號經過處理后通過MC13192發射出去。對感測器的控制信號可以從MC13192的天線接收進來，通過SPI傳送到MCU上，經過MCU的判斷處理后通過GPIO口傳送到感測器上，以完成對感測器的控制。同時MCU完成對MC13192收發控制和所需要的MAC層操作。