基于MC13213的單芯片ZigBee平臺的物理層協(xié)議研究與實現(xiàn)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，該技術(shù)基于IEEE 802.15.4標準，由成立于2001年8月的ZigBee聯(lián)盟提出。2004年12月，ZigBee聯(lián)盟制定了ZigBee SpecificationV1.0。至今ZigBee技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。目前，我國絕大部分的ZigBee硬件都是由國外廠商設(shè)計和生產(chǎn)的。早期的ZigBee硬件都是微控制器(MCU)和IEEE 802.15.4射頻芯片分離的。隨著片上系統(tǒng)(SoC)的出現(xiàn)，ZigBee硬件也發(fā)展到了在一個芯片內(nèi)部集成了MCU和射頻芯片，如Freescale公司的MC1321x，TI公司的CC243x，Ember公司的EM250以及Jennic公司的JN5121和JN5139等[1-2]。其中，F(xiàn)reescale公司的MC1321x降低了ZigBee開發(fā)者對硬件射頻電路的要求，加速了ZigBee系統(tǒng)的開發(fā)，同時具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

為了更好地推廣應(yīng)用ZigBee，本文對物理層協(xié)議及編程方法進行了深入研究。物理層是ZigBee的關(guān)鍵技術(shù)，完整的ZigBee協(xié)議包括應(yīng)用層(APL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、媒介接入控制層(MAC)和物理層(PHY)等。物理層通過操作底層硬件為上層提供服務(wù)接口，因此物理層的穩(wěn)定可靠關(guān)系到整個協(xié)議棧的健壯性，是其他層設(shè)計的基礎(chǔ)。

采用嵌入式構(gòu)件化的設(shè)計方法，可提高物理層設(shè)計的可移植性和可重用性，目前很少有人做這方面的工作。本文采用射頻片上系統(tǒng)(SoC)——MC13213設(shè)計了一個較通用的單芯片ZigBee硬件平臺，分析和實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議物理層，按照構(gòu)件化的方法進行設(shè)計，并對構(gòu)件進行了詳細的測試，這不僅為基于物理層的簡單應(yīng)用提供了方法，而且為后續(xù)的MAC層的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

1 ZigBee物理層功能概述

ZigBee工作在免申請的工業(yè)科學(xué)醫(yī)療頻段。IEEE 802.15.4標準中定義了兩個可用的物理層：基于2.4 GHz頻段的“短距離”實現(xiàn)和基于868/915 MHz頻段的“長距離”實現(xiàn)，兩者都使用直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)。中國目前的ZigBee工作頻段為2.4 GHz。

ZigBee物理層通過射頻固件和射頻硬件為MAC層和物理無線信道之間提供了服務(wù)接入點SAP(Service Access Point)。

IEEE 802.15.4定義的物理層參考模型如圖1所示。其中PD-SAP(PHY Data Service Access Point)是物理層提供給MAC層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，PLME-SAP(Physical Layer Management Entity-Service Access Point)是物理層提供給MAC層的管理服務(wù)接口，RF-SAP是由底層無線射頻驅(qū)動程序提供給物理層的接口。

物理層主要完成以下工作：激活和禁用射頻收發(fā)器，對信道進行能量檢測ED(Energy Detect)，提供所接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示LQI(Link Quality Indication)，空閑信道評估CCA(Clear Channel Assessment)，信道頻率選擇，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等。

2 MC13213單芯片ZigBee物理層編程結(jié)構(gòu)

Freescale公司推出的單芯片ZigBee解決方案——MC13213采用SoC技術(shù)，在9 mm×9 mm的LGA封裝內(nèi)集成了HCS08 MCU和遵循IEEE 802.15.4標準的第二代無線射頻收發(fā)器MC1320x[3-4] (后文中將用MCU和Modem分別代表MCU模塊和射頻收發(fā)器模塊)。具有4 KB的RAM、60 KB的Flash，1個串行外設(shè)接口(SPI)，2個異步串行通信接口(SCI)，1個鍵盤中斷模塊(KBI)，2個定時器/脈寬調(diào)制TPM(Timer/PWM)模塊，1個8通道10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以及多達32個的GPIO口等[5]。Modem內(nèi)部已經(jīng)集成了功率放大器PA(Power Amplifier)、低噪聲放大器LNA(Low Noise Amplifier)和收/發(fā)開關(guān)(T/R switch)，這在很大程度上降低了系統(tǒng)成本和射頻電路的設(shè)計難度。

2.1 Modem與MCU的交互方式

Modem可以通過SPI接口、IRQ中斷請求以及幾個狀態(tài)和控制信號與主控MCU實現(xiàn)交互，如圖2所示。

SPI命令通道是Modem與MCU之間的主要交互方式，使用標準的4線SPI進行通信。MCU通過SPI命令結(jié)構(gòu)可以讀/寫Modem的寄存器內(nèi)容、設(shè)置Modem的初始化參數(shù)、讀取Modem的狀態(tài)和控制信息。IRQ中斷為Modem提供了一種通知MCU有關(guān)Modem內(nèi)部所發(fā)生事件的方法，這樣就免除了MCU一直輪詢Modem，降低了MCU的運行開銷。ATTN用來把Modem從低功耗模式喚醒，RXTXEN用來允許Modem的發(fā)送、接收和CCA等操作。GPIO1引腳反映了Modem收發(fā)機是否忙，GPIO2引腳可以反映所接收數(shù)據(jù)包的循環(huán)冗余校驗CRC(Cyclical Redundancy Check)是否有效或者反映CCA的結(jié)果[6]。

2.2 Modem的SPI事務(wù)操作

SPI事務(wù)是在標準SPI協(xié)議基礎(chǔ)上實現(xiàn)的一個擴展SPI協(xié)議。由于Modem中的寄存器和RAM大小都配置為16 bit即一個字(word)的寬度，所以它規(guī)定了每次SPI事務(wù)過程必須由1 B的頭(header)和2×N B的載荷(payload)組成，每個字節(jié)對應(yīng)一個SPI脈沖(SPI burst)，其中1≤N≤64，且為整數(shù)，代表每個SPI事務(wù)中所包含的字(word)數(shù)，當N=1時，稱為SPI單次事務(wù)(SPI singular transaction)；其他情況稱為SPI循環(huán)事務(wù)(SPI recursive transaction)。header的最高位為R/W位，表示操作類型是讀還是寫；header的低6位是寄存器地址，表示了SPI操作的64個可能的寄存器地址(注意，有一部分寄存器沒有實現(xiàn))。

2.3 Modem的數(shù)據(jù)傳輸模式

Modem定義了兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：Stream模式和Packet模式。在Stream模式中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是逐字(word-by-word)處理的。而在Packet模式中，發(fā)送時，發(fā)送方先將待發(fā)送數(shù)據(jù)緩存在Modem的發(fā)送緩沖區(qū)(TX RAM)中，然后再發(fā)送；接收時，接收方先在接收緩沖區(qū)(RX RAM)中緩存收到的整個數(shù)據(jù)包，然后再通知MCU來讀取。雖然Packet模式下數(shù)據(jù)的接收有稍許延遲，但其降低了對MCU的資源要求[7]，在本協(xié)議棧實現(xiàn)過程中使用這種數(shù)據(jù)傳輸模式。

3 物理層構(gòu)件設(shè)計

基于MC13213單芯片的ZigBee平臺實現(xiàn)物理層協(xié)議構(gòu)件程序的設(shè)計，首先必須編寫底層硬件驅(qū)動程序，然后設(shè)置Modem的運行方式，再進行數(shù)據(jù)包收發(fā)程序的設(shè)計等。

3.1 底層硬件驅(qū)動程序的實現(xiàn)

硬件驅(qū)動程序介于底層硬件和ZigBee協(xié)議棧之間，可以使得運行于硬件之上的ZigBee協(xié)議棧更易于維護和移植。其中芯片初始化程序?qū)CU的一些硬件模塊進行正確的配置，以保證MCU可以正常工作。這里所做的主要配置包括：關(guān)閉看門狗，設(shè)置內(nèi)部時鐘模塊的校準(trim)值，配置MCU的時鐘模塊等。

初始化完成后會涉及到SPI循環(huán)事務(wù)的實現(xiàn)，下面以Packet模式下發(fā)送和接收3 B數(shù)據(jù)的完整過程來描述對Modem RX/TX RAM的SPI循環(huán)讀寫操作，如圖3所示。其中，RX/TX RAM的長度為128 B。圖中假定MCU均是以字節(jié)數(shù)組的形式來保存待發(fā)送或接收到的數(shù)據(jù)。

從圖3可以看出，讀/寫RAM時的SPI通信是最高有效位優(yōu)先(MSB-first)的，而在無線發(fā)送/接收過程中是最低有效位優(yōu)先LSB-first(Least Significant Bit first)的，但在編寫SPI循環(huán)讀寫操作時并不需要考慮上述兩種順序，也并不會導(dǎo)致接收方在接收發(fā)送方的數(shù)據(jù)時產(chǎn)生比特位順序的改變。

需要特別注意的是，由于SPI事務(wù)要求所有的數(shù)據(jù)傳輸都是按16 bit寬度進行的，當發(fā)送數(shù)據(jù)是奇數(shù)個字節(jié)時，其最后一字節(jié)數(shù)據(jù)要進行特別處理，即需填充一個任意字節(jié)以湊滿16 bit寬度，但是這個拼湊的字節(jié)和最后那個有效字節(jié)的發(fā)送順序必須按照圖3中的順序進行，即先發(fā)填充字節(jié)，以保證在TX RAM中，最后一字節(jié)緊跟在前面的偶數(shù)個字節(jié)之后。而在最后一字節(jié)數(shù)據(jù)之前的偶數(shù)個字節(jié)數(shù)據(jù)由于是16 bit寬度的倍數(shù)，所以在發(fā)送每個字時對字節(jié)發(fā)送順序沒有特別要求，只要接收方和發(fā)送方按照同一種順序收發(fā)各字節(jié)即可。

3.1.1 使用SPI循環(huán)寫事務(wù)向TX RAM中寫入待發(fā)送數(shù)據(jù)

執(zhí)行這個操作之前，待發(fā)送數(shù)據(jù)長度應(yīng)已經(jīng)寫入TX_Pkt_Control寄存器的tx_pkt_length[6：0]字段。

MCU向TX RAM中寫入待發(fā)送數(shù)據(jù)的一般流程如下：

(1)根據(jù)需要配置TX_Pkt_Control寄存器的tx_ram2_select位，以選擇使用兩塊TX RAM中的一塊。

(2)計算寫入待發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的SPI脈沖個數(shù)，注意：

①CRC字節(jié)不需寫入到TX RAM中，它是由硬件自動產(chǎn)生的；

②待發(fā)送數(shù)據(jù)的最大長度為125 B(去掉2 B的CRC)；

③必須為偶數(shù)個字節(jié)，若數(shù)據(jù)長度為奇數(shù)個字節(jié)，應(yīng)加1使其變?yōu)榕紨?shù)。

(3)做一個SPI循環(huán)寫事務(wù)來寫入數(shù)據(jù)：

①MCU拉低SPI模塊的片選信號CE，選中Modem；

②MCU向Modem發(fā)送第一個SPI脈沖，其中R/W位應(yīng)為0，表示寫操作；

③按照(2)中計算的SPI脈沖個數(shù)，寫入待發(fā)送數(shù)據(jù)；

④MCU拉高CE，使片選失效；

(4)整個寫操作結(jié)束。

3.1.2 使用SPI循環(huán)讀事務(wù)讀取RX RAM中的已接收數(shù)據(jù)

MCU讀取RX RAM中的已接收數(shù)據(jù)的一般流程如下：

(1)MCU讀Modem的RX_Status寄存器rx_pkt_latch[6：0]字段以獲取數(shù)據(jù)長度。

(2)計算讀取RX RAM中的已接收數(shù)據(jù)所需要的SPI脈沖個數(shù)：

①通常不讀取2 B的CRC，所以數(shù)據(jù)長度應(yīng)減去2；

②若數(shù)據(jù)長度為奇數(shù)個字節(jié)，應(yīng)加1使其變?yōu)榕紨?shù)；

③按照Modem SPI事務(wù)協(xié)議的規(guī)定，應(yīng)丟棄讀到的第一個字(word)，因為在第一次讀取時，內(nèi)部RAM的地址還沒有準備好，這樣又導(dǎo)致了數(shù)據(jù)長度加2。

(3)做一個SPI循環(huán)讀事務(wù)來讀取數(shù)據(jù)：

①MCU拉低SPI模塊的片選信號CE，選中Modem；

②MCU向Modem發(fā)送第一個SPI脈沖，其中R/W位應(yīng)為1，表示讀操作；

③按照(2)中計算的SPI脈沖個數(shù)讀取所有數(shù)據(jù)。注意，協(xié)議規(guī)定應(yīng)丟棄讀到的第一個字(word)。當數(shù)據(jù)為奇數(shù)個字節(jié)時，應(yīng)丟棄圖3中的那個填充字節(jié)；

④MCU拉高CE，使片選失效。

(4)整個讀操作結(jié)束。

3.2 設(shè)置Modem運行模式

Modem有多種運行模式，主要可分成兩類：活動模式和低功耗模式。其中活動模式包括Idle模式、Receive(RX)模式、Transmit(TX)模式和CCA/ED模式；低功耗模式包括Off模式、Hibernate模式、Doze模式[8]。

Idle模式是Modem退出任何其他模式后的默認模式，也是進入任何其他模式的初始模式；RX、TX模式分別為Modem接收、發(fā)送數(shù)據(jù)時所處的工作模式；CCA/ED模式為空閑信道評估/能量檢測時所處的工作模式，用來評估信道是否空閑或測量信道的當前能量值[8]。

收發(fā)機狀態(tài)設(shè)置是通過調(diào)用設(shè)置收發(fā)狀態(tài)函數(shù)實現(xiàn)的，其函數(shù)頭如下：

//-----------------------------------------*

//功能： 設(shè)置收發(fā)機狀態(tài)函數(shù)，把收發(fā)機設(shè)置成用戶期望的狀態(tài)

//參數(shù)： nDesiredStatus - 用戶期望狀態(tài)

//返回： SUCCESS - 成功設(shè)置成指定模式；

// 等于用戶期望模式-收發(fā)機之前就處于用戶期望狀態(tài)；

// 其他 - 表示執(zhí)行失??；

//說明： 無

//----------------------------------------*

INT8U PLMESetTRXState(INT8U nDesiredStatus)；

3.3 物理層數(shù)據(jù)包的收發(fā)

物理層數(shù)據(jù)稱為物理層數(shù)據(jù)單元PPDU(PHY Protocol Data Unit)，包括同步包頭、物理層包頭和物理層載荷三部分[3]，如圖4所示。其中同步包頭可以使得接收設(shè)備鎖定在比特流上，并與比特流保持同步；物理層包頭包含了數(shù)據(jù)包的長度信息，在0~127之間；物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元PSDU(PHY Service Data Unit)也稱物理層載荷，攜帶MAC層的幀信息，即MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元MPDU(MAC Protocol Data Unit)。注意，CRC檢驗字節(jié)包含在PSDU中的最后兩字節(jié)中。

物理層數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收比較簡單，對于MC13213的Modem來說，用戶所要做的只是調(diào)用SPI循環(huán)事務(wù)寫入或讀取物理層包頭和載荷，然后拉高RXTXEN引腳使能Modem的發(fā)送和接收即可。PPDU的同步包頭是由硬件自動添加的。

(1)物理層數(shù)據(jù)包的發(fā)送

Packet模式下發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程是在物理層數(shù)據(jù)請求函數(shù)中實現(xiàn)的，在函數(shù)實現(xiàn)過程中，應(yīng)根據(jù)要求，向上層通知數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)果的狀態(tài)信息。其函數(shù)頭如下：

//------------------------------------------------*

//功能： 數(shù)據(jù)請求函數(shù)，生成物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)并無線發(fā)送出去

//參數(shù)： nPSDULength-物理層PSDU(即MAC層的MPDU)中的字節(jié)數(shù)，

// 長度要=aMaxPHYPacketSize(物理層最大數(shù)據(jù)包容量)

// pPSDU - 指向物理層PSDU數(shù)據(jù)的指針

//返回： SUCCESS - 發(fā)送成功；其他值 - 發(fā)送失敗

//說明： 由MAC層調(diào)用

//-----------------------------------------*

INT8U PDDataRequest(INT8U nPSDULength， INT8U *pPSDU)；

(2)物理層數(shù)據(jù)包的接收

一般情況下，Modem的接收機是關(guān)閉的。當Modem接收機處于打開狀態(tài)時有其他Modem在同一信道上發(fā)送數(shù)據(jù)，則Modem會接收到這些數(shù)據(jù)。

本協(xié)議棧實現(xiàn)Packet模式下接收數(shù)據(jù)包時，為物理層數(shù)據(jù)包實現(xiàn)了一個環(huán)形的接收緩沖區(qū)，以保證數(shù)據(jù)的及時可靠接收，其結(jié)構(gòu)定義如下：

//PSDU最大數(shù)據(jù)包長度(不包括CRC)

#define PSDUMaxLen 125

//PSDU數(shù)據(jù)包定義

typedef struct PSDURxPacket_tag

{ INT8U m_nLen；

INT8U m_nData[PSDUMaxLen]；

INT8U m_nStatus；

INT8U m_nLQI；

} PSDURxPacket_t；

//PSDU數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)個數(shù)

#define PSDURxBufferNum 8

//PSDU數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)定義

typedef struct PSDURxBuffer_tag

{ INT8U m_nPSDUCount；

INT8U m_nHead；

INT8U m_nTrail；

PSDURxPacket_t m_sPSDU[PSDURxBufferNum]；

} PSDURxBuffer_t；

//定義PSDU環(huán)形接收緩沖區(qū)

static PSDURxBuffer_t s_sPSDURxBuffer；

3.4 其他編程相關(guān)說明

空閑信道評估(CCA)用來判斷信道是否空閑。能量檢測(ED)用來測量目標信道中接收信號的功率強度，由于這個檢測本身不進行解碼操作，所以檢測結(jié)果是有效信號功率和噪聲信號功率之和。另外，鏈路質(zhì)量指示(LQI)提供了接收數(shù)據(jù)包時無線信號的強度和信道質(zhì)量信息。與能量檢測不同的是，LQI要對信號進行解碼，生成的是一個信噪比指標。這個信噪比指標和物理層數(shù)據(jù)單元一起提交給上層處理。Modem中RX_Status寄存器的cca_final[7：0]字段保存了以上操作的結(jié)果值。

當Modem完成MCU指定的某個功能（如發(fā)送完成、接收完成、CCA/ED完成等），就會產(chǎn)生IRQ中斷，然后MCU會讀取Modem的IRQ狀態(tài)寄存器，針對不同的IRQ中斷類型分別進行處理。

物理層管理實體(PLME)維護了物理層正常工作所必須的一些屬性參數(shù)，包括物理層支持的信道列表、當前用于發(fā)送和接收的信道、物理層的發(fā)射功率以及CCA模式4個屬性。每個屬性都有一個唯一的屬性標識符，并且某些屬性還有一些特定的取值范圍。屬性的讀和寫分別由屬性設(shè)置和讀取函數(shù)來實現(xiàn)，由于物理層的屬性較少，直接通過switch/case語句實現(xiàn)即可。

4 物理層構(gòu)件測試

按照前面分析的ZigBee物理層編程結(jié)構(gòu)編寫測試程序，可用于對物理層的構(gòu)件功能進行測試。測試可先進行SPI單次讀寫事務(wù)測試，然后再進行數(shù)據(jù)包收發(fā)測試。

4.1 SPI單次讀寫事務(wù)的正確性測試

在對Modem的內(nèi)部寄存器初始化之前，可利用SPI單次讀事務(wù)獲取Modem寄存器的內(nèi)容，并通過串口輸出顯示與Modem寄存器的復(fù)位值對比是否一致。接著利用SPI單次寫事務(wù)，對Modem進行初始化，初始化后，再把修改后的Modem寄存器的內(nèi)容通過串口輸出顯示，與修改值比較，即可得出SPI寫事務(wù)是否正確。

4.2 物理層數(shù)據(jù)包的收發(fā)測試

物理層數(shù)據(jù)包的收發(fā)測試需要一個發(fā)送節(jié)點和一個接收節(jié)點相互配合。對于能否正確收發(fā)需要測試兩種情況，發(fā)送節(jié)點分別發(fā)送奇數(shù)個和偶數(shù)個字節(jié)的數(shù)據(jù)，看接收節(jié)點能否正確收到。這部分的測試是借助于串口調(diào)試工具來完成的，接收節(jié)點把收到的數(shù)據(jù)發(fā)往PC機串口顯示。

物理層數(shù)據(jù)包收發(fā)的可靠性測試條件如下：一個發(fā)送節(jié)點和一個接收節(jié)點，二者相距5 m左右，其中發(fā)送節(jié)點每次發(fā)送長度為20 B的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)中的最后2 B作為一個16 bit的整數(shù)，用來記錄發(fā)送次數(shù)，每發(fā)送一次其值加1。發(fā)送節(jié)點何時開始發(fā)送數(shù)據(jù)由PC方測試軟件控制，接收節(jié)點負責接收數(shù)據(jù)并發(fā)給PC端測試軟件顯示，通過比較發(fā)送字節(jié)數(shù)與接收字節(jié)數(shù)以及數(shù)據(jù)中的發(fā)送次數(shù)字段，可以得出數(shù)據(jù)丟失情況。所有的測試數(shù)據(jù)會寫入后臺的ACCESS數(shù)據(jù)庫中，以供將來進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。試驗中測試的一組數(shù)據(jù)如表1所示，丟包率不超過0.1%。

本文研究了ZigBee協(xié)議物理層的SPI事務(wù)協(xié)議、Modem的工作模式等關(guān)鍵技術(shù)和編程方法，實現(xiàn)了基于單芯片ZigBee平臺的構(gòu)件化的底層硬件驅(qū)動程序和物理層數(shù)據(jù)包收發(fā)程序。測試表明，此硬件平臺穩(wěn)定可靠、實現(xiàn)容易，不但方便了其他研究人員學(xué)習(xí)和實踐ZigBee技術(shù)，降低了研究ZigBee技術(shù)的門檻，還由于采用了單芯片設(shè)計和構(gòu)件化設(shè)計方法，具有較高的可移植性和可重用性，使其很容易應(yīng)用到實際項目中。同時為ZigBee協(xié)議棧后續(xù)其他層的研究和實現(xiàn)打下了基礎(chǔ)，并為其他協(xié)議的應(yīng)用研究提供了參考。

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