基于AtmelAT86RF230ZigBee的WPAN网络设备设计

　　2002年英国Invensys、日本三菱电气、美国Motorola三家公司宣布组成ZigBee技术联盟，共同研究ZigBee技术。IEEE也于 2003年制定了针对LR-WPAN(LowRate Wireless Personal Area Networks)的IEEE 802.15.4-2003无线规范，定义了一种新的无线设备的物理层和MAC层，并致力于开发一种可应用在固定、便携或移动设备上的，低成本、低功耗和低速率的无线连接技术，其目标功能是自动化控制，采用DSSS扩频技术，有效覆盖范围根据不同速率可达0～300 m。

　　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。