ZigBee技术的硬件实现模式分析

引言
    当今世界通信技术迅猛发展，ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)的发展。ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的应用于无线监测与控制应用的全球性无线通信标准，强调简单易用、近距离、低速率、低功耗(长电池寿命)且极廉价的市场定位，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域。并且，基于ZigBee技术的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，故很多研究机构已经把它作为无线传感器网络的无线通信平台。目前在蓝牙技术复杂，应用系统费用高，功耗高，供电电池寿命短，且还无法突破价格瓶颈的情况下，ZigBee技术无疑将拥有广阔的应用前景。

1 ZigBee的结构体系
    相对于其他无线通信标准，ZigBee协议栈显得更为紧凑和简单。如图1所示，ZigBee协议栈的体系结构由底层硬件模块、中间协议层和高端应用层3部分组成。
 
1.1 底层硬件模块
    底层硬件模块是ZigBee技术的核心模块，所有嵌入ZigBee技术的设备都必须包括底层模块。它主要由射频RF(Radio-Frequency)、ZigBee无线RF收发器和底层控制模块组成。
    ZigBee标准协议定义了两个物理层(PHY)标准，分别是2.4 GHz物理层和868／915 MHz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频DSSS技术，使用相同的物理层数据包格式；区别在于工作频率、调制方式、信号处理过程和传输速率。
    底层控制模块定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据；物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。数据服务主要包括：激活和休眠射频收发器，收发数据，信道能量检
测，链路质量指示和空闲信道评估。
    信道能量检测：为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个检测本身不需要进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。
    链路质量指示：为MAC层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息。与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成一个信噪比指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一起提交给上层处理。
    空闲信道评估：判断信道是否空闲。ZigBee协议标准定义了3种空闲信道评估模式：第一种是判断信道的信号能量，若信号能量低于某一个门限量，则认为信道空闲；第二种是判断无线信道的特征，这个特征主要包括两方面，即扩频信号和载波频率；第三种模式是前两种模式
的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。

1.2 中间协议层
    中间协议层由IEEE 802.15.4 MAC子层、IEEE 802.15.4链路控制(LLC，Logical Link Contro1)子层、网络层NWK以及通过业务相关聚合子层SSCS(Service Specific Convergence Sublayer)协议承载的IEEE 802.2 LLC子层(选用协议层)组成。
MAC子层：使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，而LLC子层在MAC子层的基础上，在设备间提供面向连接和非连接的服务。MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发；后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。
NWK层：负责建立和维护网络连接。它独立处理传人数据请求、关联、解除关联和孤立通知请求。
SSCS和IEEE 802.2 LLC：只是ZigBee标准协议中可能的上层协议.并不在IEEE 802.15.4标准的定义范围之内。SSCS为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE802.2标准中定义的LLC子层提供聚合服务。LLC子层可以使用SSCS的服务接口访问IEEE 802.15.4网络，为应用层提供链路层服务。

1.3 高端应用层
    高端应用层位于ZigBee协议栈的最上面，主要包括以下5部分：应用支持(APS)子层、ZigBee设备对象(ZDO)子层、ZigBee设备配置(ZDC)子层、应用层(APL)和用户应用程序组成。
APS子层：主要提供ZigBee端点接口。应用程序将使用该层打开或关闭一个或多个端点，并且获取或发送数据。
ZDO子层：通过打开和处理目标端点接口来响应接收和处理远程设备的不同请求。与其他的端点接口不同，目标端点接口总是在启动时就被打开并假设绑定到任何发往该端口的输入数据帧。
ZDC子层：提供标准的ZigBee配置服务，定义和处理描述符请求。远程设备可以通过ZDO子层请求任何标准的描述符信息。当接收到这些请求时，ZDO会调用配置对象以获取相应的描述符值。
APL层：提供高级协议栈管理功能。用户应用程序使用此模块来管理协议栈功能。
用户应用程序：主要包括厂家预置的应用软件。同时，为了给用户提供更广泛的应用，该层还提供了面向仪器控制、信息电器和通信设备的嵌入式API.从而可以更广泛地实现设备与用户的应用软件间的交互。

2 ZigBee硬件的实现
    随着ZigBee标准的发布.世界各大无线芯片生产厂商陆续推出了支持ZigBee的节点模块。图2为ZigBee单芯片硬件模块结构图。微处理器通过SPI总线和一些离散控制信号与RF收发器相连。微处理器充当SPI主器件，而RF收发器充当从器件。控制器实现了IEEE 802.15.4 MAC子层和ZigBee协议层，还包含了特定应用的逻辑，并且使用SPI总线与RF收发器交互。
 
图2 ZigBee单芯片硬件模块结构图
    总结起来.一个典型的ZigBee节点模块至少必须具备以下组件：

•  一片带SPI接口的微处理器，如ATmega128、PIC18F和HCS08等。微处理器主要用于处理射频信号、控制和协调各部分器件的工作，具体地说.就是负责比特流调制和解调后的所有比特级处理、控制RF收发器等。
•  一个带有所需外部元件的RF(射频)收发器.如Freescale公司推出的MC13192和Chipcon公司推出的CC2420等。射频收发器是ZigBee设备的核心，任何ZigBee设备都要有射频收发器。它与用于广播的普通无线收发器的不同之处在于体积小，功耗低.支持电池供电的设备。射频收发器的主要功能包括：信号的调制与解调、信号的发送和接收，以及帧定时恢复等。
•  一根天线，可以是PCB上的引线形成的天线或单根天线。近程通信中最常用的天线有单极天线、螺旋形天线和环形天线。对于低功耗应用，建议使用范围最佳且简单的1／4波长单极天线。天线必须尽可能靠近集成电路连接。如果天线位置远离输入引脚.则必须与提供的传输线匹配(50Ω)。

Freescale公司推出的ZigBee节点模块的应用模型如图3所示。
 

3 CC2420无线RF收发器
    CC2420是Chipcon公司推出的一款兼容2.4 GHz IEEE 802.15.4的无线收发芯片，可快速应用到ZigBee产品中。CC2420基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，使用0.18 um CMOS工艺生产，采用QLP-48封装，具有很高的集成度。

3.1 内部结构与工作原理
    CC2420的内部结构如图4所示。CC2420是一个低中频的接收器，所接收到的射频信号首先经过LNA(低噪声放大器)，然后正交下变频到2 MHz的中频上，形成中频信号的同相分量和正交分量。两路信号经过滤波和放大后，直接通过A／D转换器转换成数字信号。后继的处理(如自动增益控制、最终信道选择、解调以及帧同步等)，都是以数字信号形式处理的。
 
    CC2420发送数据时，使用直接正交上变频。基带信号的同相分量和正交分量直接被D／A转换器转换成模拟信号，通过低通滤波器后，直
接变频到设定的信道上。
    CC2420射频信号的收发采用差分方式传送，其最佳差分负载是(115+j180)Ω，阻抗匹配电路应该根据该数值进行调整。如果使用单端天线，则需要使用平衡／非平衡阻抗转换电路(BALUN，巴伦电路)，以达到最佳收发效果。
    CC2420需要有16 MHz的参考时钟用于250 kbps数据的收发。这个参考时钟可以来自外部时钟源，也可以使用内部晶振产生。如果使用外部时钟，则直接从XOSCl6_Q1引脚引入，XOSCl6_Q2引脚保持悬空；如果使用内部晶振，则晶振接在XOSC16_Q1和XOSC16_Q2引脚之间。CC2420要求时钟源的精度应该在±4O×1O-6以内。图5给出了CC2420应用电路的一个实例。

3.2 基本功能及应用
    CC2420工作于全球统一开放的2.4 GHz ISM频带，具有工作电压低(1.8 V)、体积小(7 mm×7 ram)、功耗低(TX：24 mA，RX：17 mA)和灵敏度高(-119 dB)等优点，最高工作速率可达250 kbps；采用了直接序列扩频方式，抗噪声干扰能力强；用硬件实现了IEEE 802.15.4的MAC子层基于128位的AES数据加密和鉴别操作，安全性较高；具有完全集成的压控振荡器，只需天线、16 MHz晶振和几个阻容、电感元件等非常少的外围电路就能在2.4 GHz频带上工作，基本无需调试；MAC子层支持信息包处理、数据缓存、突发传输、地址识别、信道能量检测、链路质量指示和空闲信道评估等功能，从而可减轻主控制器负担，且可与低成本的控制器配合使用。CC242O单芯片适合于在计算机遥测遥控、家庭及楼宇自动化、消费类电子、汽车仪表数据读取等无线数据发射／接收系统中使用。
 

    ZigBee技术是一种结构简单、成本较低的无线通信技术，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。本文所描述的ZigBee技术硬件实现模式分析，只是ZigBee核心技术中的一小部分，随着ZigBee技术的进一步完善和发展，更多的注意力和研发力量将转移到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。相信在不远的将来，会有越来越多的ZigBee设备进入我们的生活，使我们的生活变得更加便利和丰富多彩。