集成ZigBee無(wú)線電設(shè)計(jì)、檢定和驗(yàn)證

受全球變暖和能源價(jià)格上升的影響，市場(chǎng)對(duì)智能化、基于無(wú)線電控制的設(shè)備的需求快速增長(zhǎng)，這些裝置可用于監(jiān)測(cè)、控制、傳訊以及自動(dòng)化能源和其他資源的輸送。不過(guò)這只是基于物理層無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.15.4技術(shù)的許多應(yīng)用之一。
雖然有許多相互競(jìng)爭(zhēng)的基于該物理層的協(xié)議，但這方面目前的全球領(lǐng)導(dǎo)者是ZigBee組織，該組織發(fā)布了涵蓋從家庭自動(dòng)化和智能能源到零售和電信服務(wù)，再到遠(yuǎn)程控制和輸入裝置等所有領(lǐng)域的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee協(xié)議提供了一個(gè)網(wǎng)狀設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，支持覆蓋大面積區(qū)域和數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)設(shè)備的通信。如果采用一致的實(shí)現(xiàn)方式，那么來(lái)自不同來(lái)源的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備就能無(wú)縫地相互通信。
如你所想，圍繞通常帶有天線并得到FCC或其他地區(qū)機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的裸集成電路和模塊已形成了一個(gè)充滿活力的行業(yè)。嵌入式產(chǎn)品只能與采用IEEE 802.15.4低層協(xié)議的無(wú)線電電路一起提供，并需要獨(dú)立的微控制器或微處理器來(lái)處理ZigBee軟件及應(yīng)用。市場(chǎng)上有些集成電路和模塊內(nèi)建用于運(yùn)行ZigBee或其他協(xié)議軟件的微控制器。這些集成電路和模塊中有許多都具有未確定用途的I/O引腳，所以完整產(chǎn)品可能需要內(nèi)容更少一些的模塊和傳感器和/執(zhí)行器以及一個(gè)外殼。此外，這些模塊可附帶功率放大器和接收器低噪聲放大器（LNA）。功率放大器和低噪聲放大器可顯著增加無(wú)線電射程，雖然其成本和功耗皆較高。
對(duì)這些選擇中任何一種選擇，都需要一個(gè)印刷電路測(cè)試板來(lái)支持集成電路或模塊。另外還需要具有足夠大的峰值功率且不受噪聲干擾的電源。如果選擇了芯片級(jí)無(wú)線電，則還需要相應(yīng)的天線接口電路。
隨著ZigBee協(xié)議在各類嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用中變得越來(lái)越常見(jiàn)，工程師需要能夠快速而高效地確認(rèn)和驗(yàn)證ZigBee模塊性能。這一系統(tǒng)級(jí)任務(wù)由于射頻（RF）信號(hào)的存在和需要考慮模擬、數(shù)字和射頻信號(hào)的相互作用而變得更加復(fù)雜。如后文所述，一種稱為混合域示波器（MDO，其名稱源于其包含頻譜分析電路）的新型示波器可幫助減輕ZigBee測(cè)試任務(wù)。首先，我們來(lái)看一看主要設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)及相關(guān)折衷和權(quán)衡。
ZigBee設(shè)計(jì)考量
由于最終應(yīng)用各式各樣且有數(shù)千種產(chǎn)品均可適用ZigBee技術(shù)，所以在ZigBee的世界里沒(méi)有所謂的以不變應(yīng)萬(wàn)變之說(shuō)。各廠家的ZigBee無(wú)線電選件的集成度各不相同，其中即有無(wú)線電集成電路，也有帶有微控制器、功率放大器、天線和低噪聲放大器的完整集成式模塊。由于這一多樣性的存在，所以設(shè)計(jì)人員必須了解其中涉及的折衷和權(quán)衡。應(yīng)當(dāng)考慮的主要方面包括：
成本 — 與集成電路相比，模塊在材料成本與設(shè)計(jì)和管理審批成本之間存在重大折衷。模塊成本由于其需要支持元件和裝配勞動(dòng)而顯著高于無(wú)線電集成電路，即使數(shù)量龐大也不足以改變這一事實(shí)。多出成本中的一部分源自重復(fù)的印刷電路板材料，但大部分源自模塊的設(shè)計(jì)成本以及向模塊生產(chǎn)商退貨。但是，設(shè)計(jì)無(wú)線電模塊和獲得必需的批準(zhǔn)的成本是很高的。對(duì)于基于集成電路的設(shè)計(jì)，ZigBee聯(lián)盟測(cè)試和批準(zhǔn)會(huì)使成本增加。經(jīng)驗(yàn)表明，在集成集成電路和模塊間的成本平衡點(diǎn)通常為10,000 - 25,000個(gè)單元左右。
開(kāi)發(fā)時(shí)間 — 預(yù)認(rèn)證模塊在產(chǎn)品完成后即可銷售。對(duì)集成電路級(jí)設(shè)計(jì)的管理審批快時(shí)為一個(gè)月，但常常需要更長(zhǎng)時(shí)間。通常，該時(shí)間被計(jì)入開(kāi)發(fā)流程，因?yàn)楫a(chǎn)品需要接近最終形式，軟件也需要在批準(zhǔn)測(cè)試開(kāi)始前起作用。
形狀因素 — 從集成電路開(kāi)始來(lái)設(shè)計(jì)定制無(wú)線電可提供無(wú)線電電路配置方面的靈活性。對(duì)于定制設(shè)計(jì)，由于產(chǎn)品的整體配置，無(wú)線電電路可利用模塊不能嵌入的空隙。通常，市面上的模塊的所有零件都布置在印刷電路板的同一面，所以模塊可焊接到主板上。在定制設(shè)計(jì)中，零件可布置在任何配置中或電路板的兩面。
協(xié)議靈活性 — 許多生產(chǎn)帶有嵌入式控制器的模塊和集成電路的生產(chǎn)商都不提供ZigBee或其他通信軟件的源碼。這極大地限制了設(shè)計(jì)者增加定制功能的能力。
特殊要求 — 對(duì)有些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，集成了無(wú)線電和微控制器的模塊或集成電路所提供的硬件功能可能并不夠用。雖然總可以選擇添加第二個(gè)微控制器，但這樣一來(lái)總成本會(huì)超出預(yù)定水平。在其他情況下，可能需要提供市場(chǎng)上沒(méi)有的功能。例如，美國(guó)規(guī)定允許無(wú)線電輸出功率最高可達(dá)到1瓦，但很少有模塊能達(dá)到這個(gè)水平。
天線類型和布置 — 模塊的印刷電路板上可帶有天線，其形式為印刷圖案，或者為帶有外置天線的“芯片”天線。如果模塊上的天線是在屏蔽外殼的里面，或者其位置過(guò)于接近最終封裝設(shè)計(jì)中的其他元件，則其性能可能受到影響。市場(chǎng)上有的模塊帶有用于連接外置天線的接頭。但是，只有使用經(jīng)認(rèn)證可與模塊一起使用的天線才是合法的。如果需要使用不受模塊廠家支持的天線——例如因?yàn)樾枰叩脑鲆?mdash;—則須經(jīng)過(guò)有關(guān)機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)（這需要時(shí)間并會(huì)產(chǎn)生成本）。
集成式無(wú)線電的測(cè)試驗(yàn)證
在無(wú)線電的實(shí)現(xiàn)方案已定、相應(yīng)的印刷電板板布局已定以及任何必需的軟件編寫(xiě)完成之后，還需要進(jìn)行大量測(cè)試來(lái)確保通信狀況良好。
對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，無(wú)線電系統(tǒng)和產(chǎn)品的其他零件之間存在串行通信。例如，許多集成電路和模塊使用四線串行外設(shè)接口（SPI）連接來(lái)控制無(wú)線電集成電路及相關(guān)元件，如功率放大器。為了選擇頻率信道、輸出功率等級(jí)和其他許多參數(shù)，需要通過(guò)SPI命令來(lái)設(shè)置內(nèi)部寄存器。SPI用于控制用來(lái)控制功率放大器或其他器件的通用端口引腳。SPI還用于將數(shù)據(jù)包發(fā)送到集成電路或模塊，以及發(fā)送用于來(lái)傳輸數(shù)據(jù)包的命令。收到的數(shù)據(jù)也通過(guò)SPI總線來(lái)傳輸。
微控制器中的軟件（無(wú)論集成或獨(dú)立）需要提供最高等級(jí)的協(xié)議（ZigBee或其他）以及控制無(wú)線電的功率，并運(yùn)行產(chǎn)品的其他方面。在許多應(yīng)用中，無(wú)線電信號(hào)發(fā)射的時(shí)機(jī)非常重要，以致無(wú)線電在產(chǎn)品的一些其他耗電零件在運(yùn)行中并使電源電壓降至可接受水平以下時(shí)不會(huì)發(fā)射信號(hào)。
用于驗(yàn)證無(wú)線電操作的部分關(guān)鍵測(cè)試包括射頻和電源測(cè)量、數(shù)字命令、寄生信號(hào)和干擾。為舉例說(shuō)明這些測(cè)試，我們把Microchip Technologies IEEE 802.15.4放大無(wú)線電模塊（MRF24J40MB）與Explorer 16演示板搭配使用。屏幕截圖來(lái)自泰克MDO4000系列混合域示波器——全球首款提供射頻、模擬和數(shù)字信號(hào)的同時(shí)時(shí)間相關(guān)視圖的示波器。設(shè)置和數(shù)據(jù)命令通過(guò)個(gè)人電腦來(lái)發(fā)送，以支持手動(dòng)控制。圖1顯示了測(cè)試設(shè)置。一個(gè)對(duì)無(wú)線電設(shè)備的直接連接被用于簡(jiǎn)化功率和其他測(cè)量。也可以使用一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的天線來(lái)進(jìn)行射頻測(cè)量。

圖1。Microchip Technologies MRF24J40MB與Explorer 16演示板ZigBee無(wú)線電模塊/測(cè)試板和混合域示波器之間的測(cè)試連接。

射頻和電源測(cè)量
IEEE 802.15.4（包括ZigBee）標(biāo)準(zhǔn)的信道頻率間隔為5 Mhz。20dB信道帶寬應(yīng)當(dāng)顯著小于信道頻率間隔。圖2所示的2.3 MHz測(cè)得被占用帶寬完全符合該規(guī)格。輸出功率大致在20 dBm以內(nèi)。屏幕顯示了輸出頻譜（屏幕下方）以及帶寬和電源的直接測(cè)量結(jié)果。在此頻率范圍內(nèi)，測(cè)試電纜衰減約為2 dB，所以電源測(cè)量結(jié)果在預(yù)期范圍之內(nèi)。

圖2。在該圖中，橙色條代表頻域顯示相對(duì)于時(shí)域測(cè)量結(jié)果的頻譜時(shí)間。