集成ZigBee無線電設計、檢定和驗證

受全球變暖和能源價格上升的影響，市場對智能化、基于無線電控制的設備的需求快速增長，這些裝置可用于監(jiān)測、控制、傳訊以及自動化能源和其他資源的輸送。不過這只是基于物理層無線電標準的IEEE 802.15.4技術(shù)的許多應用之一。
雖然有許多相互競爭的基于該物理層的協(xié)議，但這方面目前的全球領導者是ZigBee組織，該組織發(fā)布了涵蓋從家庭自動化和智能能源到零售和電信服務，再到遠程控制和輸入裝置等所有領域的各項標準。ZigBee協(xié)議提供了一個網(wǎng)狀設備網(wǎng)絡，支持覆蓋大面積區(qū)域和數(shù)百個甚至數(shù)千個設備的通信。如果采用一致的實現(xiàn)方式，那么來自不同來源的符合ZigBee標準的設備就能無縫地相互通信。
如你所想，圍繞通常帶有天線并得到FCC或其他地區(qū)機構(gòu)批準的裸集成電路和模塊已形成了一個充滿活力的行業(yè)。嵌入式產(chǎn)品只能與采用IEEE 802.15.4低層協(xié)議的無線電電路一起提供，并需要獨立的微控制器或微處理器來處理ZigBee軟件及應用。市場上有些集成電路和模塊內(nèi)建用于運行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線電射程，雖然其成本和功耗皆較高。
對這些選擇中任何一種選擇，都需要一個印刷電路測試板來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。如果選擇了芯片級無線電，則還需要相應的天線接口電路。
隨著ZigBee協(xié)議在各類嵌入式系統(tǒng)和應用中變得越來越常見，工程師需要能夠快速而高效地確認和驗證ZigBee模塊性能。這一系統(tǒng)級任務由于射頻（RF）信號的存在和需要考慮模擬、數(shù)字和射頻信號的相互作用而變得更加復雜。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測試任務。首先，我們來看一看主要設計考慮事項及相關折衷和權(quán)衡。
ZigBee設計考量
由于最終應用各式各樣且有數(shù)千種產(chǎn)品均可適用ZigBee技術(shù)，所以在ZigBee的世界里沒有所謂的以不變應萬變之說。各廠家的ZigBee無線電選件的集成度各不相同，其中即有無線電集成電路，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，所以設計人員必須了解其中涉及的折衷和權(quán)衡。應當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計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而顯著高于無線電集成電路，即使數(shù)量龐大也不足以改變這一事實。多出成本中的一部分源自重復的印刷電路板材料，但大部分源自模塊的設計成本以及向模塊生產(chǎn)商退貨。但是，設計無線電模塊和獲得必需的批準的成本是很高的。對于基于集成電路的設計，ZigBee聯(lián)盟測試和批準會使成本增加。經(jīng)驗表明，在集成集成電路和模塊間的成本平衡點通常為10,000 - 25,000個單元左右。
開發(fā)時間 — 預認證模塊在產(chǎn)品完成后即可銷售。對集成電路級設計的管理審批快時為一個月，但常常需要更長時間。通常，該時間被計入開發(fā)流程，因為產(chǎn)品需要接近最終形式，軟件也需要在批準測試開始前起作用。
形狀因素 — 從集成電路開始來設計定制無線電可提供無線電電路配置方面的靈活性。對于定制設計，由于產(chǎn)品的整體配置，無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。在定制設計中，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。這極大地限制了設計者增加定制功能的能力。
特殊要求 — 對有些應用來說，集成了無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微控制器，但這樣一來總成本會超出預定水平。在其他情況下，可能需要提供市場上沒有的功能。例如，美國規(guī)定允許無線電輸出功率最高可達到1瓦，但很少有模塊能達到這個水平。
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，或者其位置過于接近最終封裝設計中的其他元件，則其性能可能受到影響。市場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——例如因為需要更高的增益——則須經(jīng)過有關機構(gòu)的批準（這需要時間并會產(chǎn)生成本）。
集成式無線電的測試驗證
在無線電的實現(xiàn)方案已定、相應的印刷電板板布局已定以及任何必需的軟件編寫完成之后，還需要進行大量測試來確保通信狀況良好。
對大多數(shù)應用來說，無線電系統(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接口（SPI）連接來控制無線電集成電路及相關元件，如功率放大器。為了選擇頻率信道、輸出功率等級和其他許多參數(shù)，需要通過SPI命令來設置內(nèi)部寄存器。SPI用于控制用來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)送用于來傳輸數(shù)據(jù)包的命令。收到的數(shù)據(jù)也通過SPI總線來傳輸。
微控制器中的軟件（無論集成或獨立）需要提供最高等級的協(xié)議（ZigBee或其他）以及控制無線電的功率，并運行產(chǎn)品的其他方面。在許多應用中，無線電信號發(fā)射的時機非常重要，以致無線電在產(chǎn)品的一些其他耗電零件在運行中并使電源電壓降至可接受水平以下時不會發(fā)射信號。
用于驗證無線電操作的部分關鍵測試包括射頻和電源測量、數(shù)字命令、寄生信號和干擾。為舉例說明這些測試，我們把Microchip Technologies IEEE 802.15.4放大無線電模塊（MRF24J40MB）與Explorer 16演示板搭配使用。屏幕截圖來自泰克MDO4000系列混合域示波器——全球首款提供射頻、模擬和數(shù)字信號的同時時間相關視圖的示波器。設置和數(shù)據(jù)命令通過個人電腦來發(fā)送，以支持手動控制。圖1顯示了測試設置。一個對無線電設備的直接連接被用于簡化功率和其他測量。也可以使用一個經(jīng)過校準的天線來進行射頻測量。

圖1。Microchip Technologies MRF24J40MB與Explorer 16演示板ZigBee無線電模塊/測試板和混合域示波器之間的測試連接。

射頻和電源測量
IEEE 802.15.4（包括ZigBee）標準的信道頻率間隔為5 Mhz。20dB信道帶寬應當顯著小于信道頻率間隔。圖2所示的2.3 MHz測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量結(jié)果。在此頻率范圍內(nèi)，測試電纜衰減約為2 dB，所以電源測量結(jié)果在預期范圍之內(nèi)。

圖2。在該圖中，橙色條代表頻域顯示相對于時域測量結(jié)果的頻譜時間。