一种WPAN网络设备方案

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40 kbps;2.45 GHz有16个，速率为250 khps。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，IEE： E 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l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

Atmcl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104dB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×5mm×0.9mm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，睡眠模式下仅为O.7μA;工作电压可达1.8～3.6V，内部有集成的1.8V 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 CRCl6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ATmega128l与 AT86RF230之间的SPI接口以及其他4条控制线。AT-megal28l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16MHz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l.8～5.5V，掉电模式下只有O.1μA的工作电流。在本设计中ATmegal281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ATmegal281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ATmegal28l的ICPl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。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40 ppm，并根据晶振和芯片的驱动能力选择合适的负载电容。

对于模拟部分设计，为了降低其他部分的干扰，提高RF性能，需要采取抗干扰措施。例如，模拟电源输入端增加磁珠或电感;AT86RF230模拟地和数字地要分开布线，并在一点接地;为了减小分布参数的影响，铺地要尽可能大，并且要适当打上过孔;滤波用的电容也要尽量靠近芯片。另外，要注意阻抗匹配， AT86RF230天线端口为2路100Ω的差分输出，可直接接差分馈电的天线，但缺点是阻抗匹配和测试都比较困难，一般可以用巴伦把2路100Ω的差分输出变换成一路50Ω输出，然后接各类单端馈电的天线。在控制RF信号输出脚PCB导线的阻抗时，可以采用图4所示的模型。

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