摘  要： 采用Freescale的MC13213芯片構建了單芯片的ZigBee硬件平臺，闡述了物理層的基本內容,，分析了物理層的SPI事務協(xié)議,、Modem的工作模式等編程結構，實現(xiàn)了構件化的底層硬件驅動程序和物理層數(shù)據包收發(fā)程序,，并基于構件對物理層協(xié)議進行了詳細的測試,，驗證了物理層功能的可靠性和穩(wěn)定性。結果表明,，基于單芯片設計的ZigBee物理層協(xié)議穩(wěn)定可靠,，易于應用到實際項目中。
關鍵詞： ZigBee協(xié)議,；IEEE 802.15.4,；無線傳感網絡；MC13213,；物理層

    ZigBee技術是一種近距離,、低復雜度、低功耗,、低數(shù)據速率,、低成本的雙向無線通信技術，該技術基于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技術已經得到了廣泛的發(fā)展和應用,。目前，我國絕大部分的ZigBee硬件都是由國外廠商設計和生產的,。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的關鍵技術,，完整的ZigBee協(xié)議包括應用層(APL),、網絡層(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接口,，因此物理層的穩(wěn)定可靠關系到整個協(xié)議棧的健壯性，是其他層設計的基礎,。
采用嵌入式構件化的設計方法,，可提高物理層設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，按照構件化的方法進行設計,，并對構件進行了詳細的測試,，這不僅為基于物理層的簡單應用提供了方法，而且為后續(xù)的MAC層的應用打下了基礎,。
1 ZigBee物理層功能概述
    ZigBee工作在免申請的工業(yè)科學醫(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,。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)據服務接口,，PLME-SAP(Physical Layer Management Entity-Service Access Point)是物理層提供給MAC層的管理服務接口，RF-SAP是由底層無線射頻驅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)據包的鏈路質量指示LQI(Link Quality Indication),，空閑信道評估CCA(Clear Channel Assessment),，信道頻率選擇，數(shù)據發(fā)送和接收等,。
2 MC13213單芯片ZigBee物理層編程結構
    Freescale公司推出的單芯片ZigBee解決方案——MC13213采用SoC技術,，在9 mm×9 mm的LGA封裝內集成了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/脈寬調制TPM(Timer/PWM)模塊,，1個8通道10位的模數(shù)轉換器(ADC),，以及多達32個的GPIO口等[5],。Modem內部已經集成了功率放大器PA(Power Amplifier)、低噪聲放大器LNA(Low Noise Amplifier)和收/發(fā)開關(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命令結構可以讀/寫Modem的寄存器內容,、設置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Modem內部所發(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)據包的循環(huán)冗余校驗CRC(Cyclical Redundancy Check)是否有效或者反映CCA的結果[6]。
2.2 Modem的SPI事務操作
    SPI事務是在標準SPI協(xié)議基礎上實現(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)對應一個SPI脈沖(SPI burst),，其中1≤N≤64,，且為整數(shù)，代表每個SPI事務中所包含的字(word)數(shù),，當N=1時,，稱為SPI單次事務(SPI singular transaction)；其他情況稱為SPI循環(huán)事務(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)據傳輸模式
    Modem定義了兩種數(shù)據傳輸模式：Stream模式和Packet模式。在Stream模式中,，數(shù)據的發(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)據包,，然后再通知MCU來讀取。雖然Packet模式下數(shù)據的接收有稍許延遲,，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)據傳輸模式。
3 物理層構件設計
    基于MC13213單芯片的ZigBee平臺實現(xiàn)物理層協(xié)議構件程序的設計,，首先必須編寫底層硬件驅動程序,，然后設置Modem的運行方式，再進行數(shù)據包收發(fā)程序的設計等,。
3.1 底層硬件驅動程序的實現(xiàn)
    硬件驅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對MCU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：關閉看門狗，設置內部時鐘模塊的校準(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)事務的實現(xiàn)，下面以Packet模式下發(fā)送和接收3 B數(shù)據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,。

    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，也并不會導致接收方在接收發(fā)送方的數(shù)據時產生比特位順序的改變,。
    需要特別注意的是,，由于SPI事務要求所有的數(shù)據傳輸都是按16 bit寬度進行的，當發(fā)送數(shù)據是奇數(shù)個字節(jié)時，其最后一字節(jié)數(shù)據要進行特別處理,，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)據之前的偶數(shù)個字節(jié)數(shù)據由于是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)寫事務向TX RAM中寫入待發(fā)送數(shù)據
    執(zhí)行這個操作之前,，待發(fā)送數(shù)據長度應已經寫入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)據的一般流程如下：
    (1)根據需要配置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,，它是由硬件自動產生的,；
    ②待發(fā)送數(shù)據的最大長度為125 B(去掉2 B的CRC)；
    ③必須為偶數(shù)個字節(jié),，若數(shù)據長度為奇數(shù)個字節(jié),，應加1使其變?yōu)榕紨?shù)。
    (3)做一個SPI循環(huán)寫事務來寫入數(shù)據：
    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,；
    ④MCU拉高CE,，使片選失效；
    (4)整個寫操作結束,。
3.1.2 使用SPI循環(huán)讀事務讀取RX RAM中的已接收數(shù)據
    MCU讀取RX RAM中的已接收數(shù)據的一般流程如下：
    (1)MCU讀Modem的RX_Status寄存器rx_pkt_latch[6：0]字段以獲取數(shù)據長度,。
    (2)計算讀取RX RAM中的已接收數(shù)據所需要的SPI脈沖個數(shù)：
    ①通常不讀取2 B的CRC，所以數(shù)據長度應減去2,；
    ②若數(shù)據長度為奇數(shù)個字節(jié),，應加1使其變?yōu)榕紨?shù)；
    ③按照Modem SPI事務協(xié)議的規(guī)定,，應丟棄讀到的第一個字(word),，因為在第一次讀取時，內部RAM的地址還沒有準備好,，這樣又導致了數(shù)據長度加2,。
    (3)做一個SPI循環(huán)讀事務來讀取數(shù)據：
    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,。注意,，協(xié)議規(guī)定應丟棄讀到的第一個字(word)。當數(shù)據為奇數(shù)個字節(jié)時,，應丟棄圖3中的那個填充字節(jié),；
    ④MCU拉高CE，使片選失效,。
    (4)整個讀操作結束,。
3.2 設置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)設置是通過調用設置收發(fā)狀態(tài)函數(shù)實現(xiàn)的，其函數(shù)頭如下：
//-----------------------------------------*
//功能： 設置收發(fā)機狀態(tài)函數(shù),，把收發(fā)機設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)據包的收發(fā)
    物理層數(shù)據稱為物理層數(shù)據單元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)據包的長度信息，在0~127之間,；物理層服務數(shù)據單元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用SPI循環(huán)事務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)據包的發(fā)送
    Packet模式下發(fā)送數(shù)據包的過程是在物理層數(shù)據請求函數(shù)中實現(xiàn)的，在函數(shù)實現(xiàn)過程中,，應根據要求,，向上層通知數(shù)據發(fā)送結果的狀態(tài)信息。其函數(shù)頭如下：
//------------------------------------------------*
//功能： 數(shù)據請求函數(shù),，生成物理層協(xié)議數(shù)據單元(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)據包容量)
//       pPSDU      - 指向物理層PSDU數(shù)據的指針
//返回： SUCCESS - 發(fā)送成功,；其他值 - 發(fā)送失敗
//說明： 由MAC層調用
//-----------------------------------------*
INT8U PDDataRequest(INT8U nPSDULength,， INT8U *pPSDU)；
    (2)物理層數(shù)據包的接收
    一般情況下,，Modem的接收機是關閉的,。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，則Modem會接收到這些數(shù)據,。
本協(xié)議棧實現(xiàn)Packet模式下接收數(shù)據包時,，為物理層數(shù)據包實現(xiàn)了一個環(huán)形的接收緩沖區(qū)，以保證數(shù)據的及時可靠接收,，其結構定義如下：
    //PSDU最大數(shù)據包長度(不包括CRC)
#define PSDUMaxLen              125
//PSDU數(shù)據包定義
typedef struct PSDURxPacket_tag
{   INT8U m_nLen,；
    INT8U m_nData[PSDUMaxLen]；
    INT8U m_nStatus,；
    INT8U m_nLQI,；
} PSDURxPacket_t；

//PSDU數(shù)據接收緩沖區(qū)個數(shù)
#define PSDURxBufferNum         8
//PSDU數(shù)據接收緩沖區(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,，所以檢測結果是有效信號功率和噪聲信號功率之和。另外,，鏈路質量指示(LQI)提供了接收數(shù)據包時無線信號的強度和信道質量信息,。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 物理層構件測試
    按照前面分析的ZigBee物理層編程結構編寫測試程序,，可用于對物理層的構件功能進行測試。測試可先進行SPI單次讀寫事務測試,，然后再進行數(shù)據包收發(fā)測試,。
4.1 SPI單次讀寫事務的正確性測試
    在對Modem的內部寄存器初始化之前，可利用SPI單次讀事務獲取Modem寄存器的內容,，并通過串口輸出顯示與Modem寄存器的復位值對比是否一致,。接著利用SPI單次寫事務，對Modem進行初始化,，初始化后,，再把修改后的Modem寄存器的內容通過串口輸出顯示,，與修改值比較，即可得出SPI寫事務是否正確,。
4.2 物理層數(shù)據包的收發(fā)測試
    物理層數(shù)據包的收發(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,，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試工具來完成的，接收節(jié)點把收到的數(shù)據發(fā)往PC機串口顯示,。
    物理層數(shù)據包收發(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,，并且數(shù)據中的最后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)據由PC方測試軟件控制,，接收節(jié)點負責接收數(shù)據并發(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)據中的發(fā)送次數(shù)字段,，可以得出數(shù)據丟失情況,。所有的測試數(shù)據會寫入后臺的ACCESS數(shù)據庫中，以供將來進行數(shù)據的統(tǒng)計分析,。試驗中測試的一組數(shù)據如表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事務協(xié)議,、Modem的工作模式等關鍵技術和編程方法,，實現(xiàn)了基于單芯片ZigBee平臺的構件化的底層硬件驅動程序和物理層數(shù)據包收發(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習和實踐ZigBee技術,，降低了研究ZigBee技術的門檻，還由于采用了單芯片設計和構件化設計方法,，具有較高的可移植性和可重用性,，使其很容易應用到實際項目中。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,，并為其他協(xié)議的應用研究提供了參考,。
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