無線個人區(qū)域網絡（或WPAN）對傳感、監(jiān)視和控制應用來說尤其有用。經濟高效的WPAN具有在眾多最終產品中實施無線連通性的獨特潛力，而在以前，這些產品從未考慮過這一功能。對主要WPAN 設計因素進行徹底的、基于事實的、邏輯的和有組織的評估可以密切管理系統(tǒng)財務目標，用積極的回報率提升最終產品價值，同時仍實現主要的無線設計目標。

傳感、監(jiān)視、控制解決方案推動著WPAN實施的具體考慮因素。傳感、監(jiān)視和控制應用中的低成本無線網絡范圍是那些距離在300米及以下和數據速率在250 kbps及以下的網絡。在WPAN最終節(jié)點設計中，為了滿足產品需求，通常必須把電池壽命延長到一個適當的水平。

嵌入式工程師在設計工作開始前先分析幾個關鍵因素，可以提高最終無線網絡實施的效果。以矩陣格式開發(fā)和探究這些關鍵因素將有助于設計工程師加快組件和解決方案選擇分析進程。參考設計圖、物料清單和其他應用信息也可以作為設計啟動的基本要素進行收集。本文舉出了一個無線UART（通用異步接收/發(fā)射器）參考設計示例。

建議嵌入式工程師考慮與WPAN設計要求有關的以下區(qū)域：集成、無線聯網拓撲、無線電（RF調制解調器或收發(fā)器）、性能、操作電壓、數據速率、范圍、信道靈活性、輸出功率、靈敏度、電源管理、外圍設備、時鐘、多層軟件、硬件和軟件設計的簡便性、天線設計和封裝。另外，無論是考慮集成的解決方案還是離散解決方案，都應從以下幾方面評估一下微控制器（MCU）：CPU特性、性能、內存選件、電源管理、時鐘源選件、模擬-數字轉換、外圍設備、封裝、在線調試和編程功能、以及軟件和硬件設計的簡便性。這些分析將為工程決策提供一個合理的視角、為設計成功鋪平道路，最終實現產品的快速上市和更輕松實施經濟高效的無線聯網。

集成

低成本無線聯網的各種實施替代方案為工程師提供了高度靈活的設計流程。像下面顯示的這種替代方案，它考慮采用一站式采購提供商的解決方案，這種解決方案提供了各種與一系列微控制器選擇結合使用的獨立收發(fā)器配置（見圖1）。

作為第二種同樣有效的替代方案，它考慮使用能夠提供集成的收發(fā)器/微控制器 （MCU）產品的最新解決方案。由于設計人員通常在多個類似的最終產品上工作，設計組件和工程投資的再利用就顯得非常重要。因此，解決方案選項的結構性評估在成本和資源兩個方面都非常有效。周密的研究可以為基于一個基礎設計的幾種最終產品提供依據（見圖2）。

無線聯網拓撲

2.4 GHz ISM頻段支持幾種短距離無線聯網拓撲。每種替代方案的開發(fā)都是為了最好地服務特定應用或功能。與2.4 GHz頻率范圍有關的最常見聯網拓撲是Bluetooth、WiFi和ZigBee、以及其他一些專用解決方案（見圖3）。這些解決方案都適合于無線個人區(qū)域網絡，還有些解決方案則提供擴展功能，能夠很好地滿足傳感、監(jiān)視和控制應用需要。也可以考慮一些非標準專用解決方案，但這些解決方案可能帶給設計人員一定風險，因為它們依賴于廠商，并可能隨時更改。

根據ZigBee聯盟（見www.zigbee.org）的解釋，ZigBee（一種基于 IEEE 802.15.4標準的解決方案）的創(chuàng)建主要針對那些要求低功耗、低數據速率、可靠性和安全性的網絡。ZigBee解決方案適應特定網絡的支持網狀聯網、網絡恢復和愈合、設備互操作性和廠商獨立性。ZigBee解決方案頻率通常在868/915 MHz或2.4 GHz的頻譜范圍內。

ZigBee技術解決方案的數據速率是250 Kbps。為了最大限度地延伸電池使用壽命，功耗必須特別低，使堿性或鋰電池實現幾個月甚至幾年的使用壽命（通常相當于電池的貨架壽命）。從理論上講，ZigBee技術最多可支持65，000個節(jié)點。最適合由ZigBee技術解決方案支持的常見傳感、監(jiān)視和控制應用包括：

個人和醫(yī)療監(jiān)視；資產管理、狀態(tài)和跟蹤；安全、接入控制和安全監(jiān)視；舒適性監(jiān)控；流程傳感和控制；能源管理；家庭自動化；加熱、通風、空氣調節(jié)傳感和控制；樓宇自動化；工業(yè)自動化和眾多其他應用。

有些無線個人區(qū)域網絡可能與單一的點到點或星狀配置一樣簡單。對于一些特定的應用，與ZigBee類似的其他專用無線解決方案能提供最適合該應用的設計簡便性與系統(tǒng)功能匹配。比如簡單媒體接入控制或SMAC。這一領域的解決方案都是廠商提供易用源碼，加快簡易網絡的面市。符合IEEE802.15.4標準的媒體接入控制器 （MAC）解決方案用數據包和流數據模式、時隙和非時隙網絡、128 AES數據加密，支持更復雜的配置。

提供多級堆棧功能的提供商讓嵌入式工程師能夠將他們的設計軟件重新用于各種WPAN，包括復雜程度不同的WPAN。多堆棧解決方案使嵌入式工程師可以輕松建立無線系統(tǒng)，并將大部分精力集中到應用軟件的基礎設計。

無線（收發(fā)器）或射頻調制解調器

要實施低成本無線聯網系統(tǒng)，應考慮幾個RF調制解調器特性。大多數經濟高效的WPAN RF解制解調器解決方案都建議采用2.0-3.4V的電源。

對輕量無線網絡來說，低數據速率足以支持監(jiān)視、傳感和控制功能，并能夠幫助管理系統(tǒng)功耗。就像前面提到的那樣，2 MHz信道（其中信道間距為5 MHz）中具有全展頻編解碼、速率為250 kbps及以下的O-QPSK數據通常為這類應用選擇。在這種環(huán)境中，收發(fā)器喚醒，收聽開放信道，并以較低數據速率發(fā)射小型數據包，直到顯示了下一事件時才關閉。順序排列、快速加電延遲、低數據速率和小型數據包允許802.15.4收發(fā)器選擇數據傳輸最有效的時間增量。

正如前面所述，對傳感和控制子系統(tǒng)來說，數據傳輸范圍和功率要求最好用WPAN軟件堆棧解決方案進行支持。典型范圍是0-10米，然而很多解決方案都提供遠遠超過300米的視線范圍。

查看與規(guī)劃設計有關的可用收發(fā)器信道的數量和類型非常重要。可供選擇的收發(fā)器信道讓設計人員能夠選擇利用那些最能降低噪聲的信道，特別是遠離更為擁擠的2.4GHz WiFi 信道。對于較嘈雜的操作環(huán)境，有經驗的廠商會提供三到四條噪聲可能較低的2.4GHz信道。

建議設計人員在0-4 dBm范圍內尋找典型的發(fā)射輸出功率。一般情況下，-90 dBm范圍內的接收靈敏度就足以滿足傳感、監(jiān)控和控制功能的需要。已緩沖的發(fā)射和接收數據包能夠為將與收發(fā)器結合使用的低成本MCU簡化數據管理。無線或收發(fā)器還應提供鏈路質量和能量檢測功能，以便進行網絡性能評估。

多種節(jié)電模式都可以節(jié)約電力，從而最大限度地降低系統(tǒng)功耗。這些模式通常包括單數字微安范圍內的斷開電流、冬眠電流和睡眠電流。當范圍或環(huán)境需要較低功率就能實現發(fā)射和接收目標時，輸出功率的可編程性還讓設計人員進一步降低了功耗。確保在所選解決方案中提供這些功能將有助于最大限度地延長以電池為電源的全功能/協調器或最終節(jié)點設備的電池使用壽命，通常都能達到電池的貨架壽命。

再看看其他一些必要的外圍設備，如用來降低MCU資源要求的內部計時器比較器。通用輸入/輸出端口（GPIO）的配置和計數各有不同。GPIO在很大程度上取決于應用中其他設備的接口要求。在那些用獨立MCU提供收發(fā)器靈活性的解決方案中，通信通過串行外圍設備接口（SPI）端口進行處理。正如預料的那樣，當無線和MCU集成到一個封裝或芯片時，收發(fā)器就通過機載或內部SPI命令信道與MCU進行通信。而且，集成解決方案還包括低噪聲放大器（LNA）、帶內部電壓控制振蕩器（VCO）的功率放大器、集成的發(fā)射/接收交換機、機載電源調節(jié)、全展頻編解碼，從而降低了系統(tǒng)的外部組件需求和系統(tǒng)總成本。

一系列系統(tǒng)時鐘配置為設計人員提供了最終系統(tǒng)設計的靈活性。允許外部時鐘源或用于CPU計時的晶體振蕩器選件是最適當的。調制解調器時鐘通常都需要 16MHz外部晶振。調整調制解調器晶振頻率的能力有助于維持IEEE 802.15.4規(guī)范所要求的嚴格標準。

根據最終設計的復雜性和要求，設計人員最好由那些通常根據內存大小提供多個網絡軟件拓撲替代方案和和多種硬件配置的廠商來服務。這包括采用4K 字節(jié)及以上MCU閃存大小的簡單MAC配置。完全符合802.15.4標準的MAC和完全兼容ZigBee的拓撲通常采用大約20K 字節(jié)至128K 字節(jié)的MCU閃存。

使用廠商提供的參考設計、硬件開發(fā)工具和軟件開發(fā)工具來簡化設計流程。對于硬件開發(fā)工具來說，簡單的“入門”指南、融入了用于可視監(jiān)控的LED和LCD的必要主板、電纜和電池等，提供了輕松的開箱即用體驗。這些工具使設計人員能夠在幾分鐘內建好網絡，如實評估網絡和解決方案性能。過去的有些軟件設計工具，具體來說就是那些支持完全符合ZigBee的網絡的軟件設計工具使用起來非常困難。為了降低RF調制解調器準備工作的復雜性，那些提供基于圖形用戶界面（GUI）的軟件設計工具廠商能夠引導設計人員逐步完成收發(fā)器設置。

天線設計也是一個復雜問題，特別是對于那些沒有什么RF設計經驗的數字設計人員。通常，設計人員會考慮以下這些因素，例如正確的天線選擇、天線調節(jié)、匹配、增益/損失、以及所需的輻射模式等。從收發(fā)器廠商提供的應用說明中獲得一些基本的天線知識也是一個辦法，然而，大多數數字工程師更愿意采用提供天線設計廠商的解決方案，這讓他們能夠把精力集中到應用設計上。希望天線解決方案的天線設計以完整Gerber文件形式提供，這樣就可以直接提供給印刷電路板制造商進行實施。提供這種天線設計解決方案的廠商解決了與高質量天線設計（即無線應用中的適當范圍和穩(wěn)定吞吐量）有關的問題。

方形扁平無鉛封裝是低成本無線聯網子系統(tǒng)收發(fā)器部分的最佳小體積封裝解決方案。這種封裝充分考慮了傳感和控制解決方案所固有的主板空間限制問題。在實施空間有限且通常以電池為電源的最終節(jié)點情況中，尺寸顯得尤其重要。

圖 4是一個分析無線解決方案的矩陣示例。矩陣設計因素很容易擴展，使之包括微控制器特性、功能以及性能。

微控制器

在選擇傳感和控制實施機制時，有幾種替代方案。有些設計人員選擇系統(tǒng)封裝（SiP） 或平臺封裝（PiP），收發(fā)器和MCU功能包括在單一封裝或集成電路中。然而，如果設計人員傾向于選擇獨立收發(fā)器和MCU配置，他們就可以靈活地選擇各種MCU，來混合和匹配多種最終產品配置。

在后一種機制中，選擇適當的MCU需要進行徹底的研究。這取決于傳感和控制應用的復雜性與適當的性能因素、內存配置和外圍設備模塊的匹配。通常，對于低成本無線傳感系統(tǒng)來說，20 MHz CPU 操作頻率范圍（10 MHz總線時鐘）內的8位微控制器就能夠提供一個易于實施的、低成本的替代方案。在線調試（加上芯片調試模塊的兩個斷點）期間用來支持單斷點（標簽和力量選項）設置的背景調試和斷點功能提供首選調試環(huán)境。很多MCU解決方案支持可最多32個中斷/復位源。

傳感和控制應用的內存要求通常是8K字節(jié) 的閃存和512字節(jié)的RAM，或者最低4K字節(jié)的閃存和256字節(jié)的RAM。全操作電壓和溫度條件下的閃存讀取、編程或擦除是必需的。

各種操作模式都能夠精確控制功耗，這是延長電池壽命的一個關鍵功能。希望MCU支持常規(guī)操作（運行模式）、進行芯片調試的活動背景模式、各種停止模式（總線和CPU時鐘暫停）和等待模式。

考慮使用具有內部時鐘源模塊的微控制器，內部時鐘源模塊包含一個由內部或外部參考控制的頻率鎖定環(huán)（FLL），內部參考的精確調節(jié)實現了溫度和電壓0.2%的分辨率和2%的誤差。內部時鐘源模塊應支持1MHz至10MHz的總線頻率。具有關鍵模塊可選時鐘輸入的MCU能夠控制時鐘，以驅動模塊功能。而且，希望MCU具有低功率振蕩器模塊，其中軟件可選擇晶體或陶瓷振蕩器的頻率范圍為31.25kHz至38.4kHz或1MHz至16MHz ，最高支持20 MHz的外部時鐘源輸入。

所選擇的MCU必須能夠提供系統(tǒng)保護，如看門狗計算機操作適當（COP）復位等選項，具有運行專用的1kHz內部時鐘源或總線的替代方案。其他“必須具有”的系統(tǒng)保護功能包括低壓檢測（通過復位或中斷）、非法操作碼檢測（通過復位）、非法地址檢測（通過復位）和閃存塊保護。

各種嵌入式外圍設備將簡化設計人員的應用實施。建議使用8信道、10位模數轉換器（ADC）來實現精確的逐步逼近法。考慮硬件可觸發(fā)的ADC，它使用RTI計數器并具有自動比較、異步時鐘源、溫度傳感器和內部帶隙參考信道功能。

傳感和控制應用的其他必需外圍設備包括：具有比較內部參考選項的模擬比較器模塊、串行通信接口模塊（SCI）、串行外圍設備接口模塊（SPI）、內部集成電路（IIC）總線模塊、2信道計時器/脈寬調節(jié)器（用于輸入捕捉、輸出比較、緩沖邊緣對齊的PWM或緩沖中央對齊的PWM）、帶前置分頻器的8位模數計時器模塊、具有邊緣或邊緣/水平模式上軟件可選極性的8管腳鍵盤中斷模塊。

有多種小體積MCU封裝選項都能夠滿足傳感和控制設計要求，從而幫助優(yōu)化有限的主板空間，特別是在最終節(jié)點、電池操作的功能中。能夠滿足這些注意事項的幾種微控制器封裝是低管腳數量塑料雙列直插式封裝（PDIP）、方形扁平無鉛封裝（QFN）、薄型小外形封裝（TSSOP）、雙排平面無鉛封裝（DFN）、窄體小外形封裝（NB SOIC）。

作為MCU選擇的一部分，還要慎重考慮硬件和軟件設計工具的易用性、文檔清晰性、參考設計、可用應用代碼和其他設計支持服務。射頻或調制解調器的設計也同樣如此，MCU的有效集成開發(fā)環(huán)境（IDE）應當包括GUI驅動工具，其內置功能和工具能夠簡化編碼和工程文件管理，以加快設計進程。抽象硬件層并生成特定微控制器的優(yōu)化C碼（根據應用定制）的專家工具能夠讓設計人員把精力集中到應用概念上。同時需要考慮快速而輕松的調試以及閃存編程功能，還有助于使用一些允許設計人員創(chuàng)建可重復利用軟件組件的功能，實現工程間的再利用。

傳感、監(jiān)視和控制子系統(tǒng)的參考設計

傳感、監(jiān)視和控制子系統(tǒng)的參考設計通常很重要，因為應用基線從這里演進一些特定的設計需求。例如，無線UART參考設計就采用SiP解決方案，這是飛思卡爾半導體的MC13211 RF收發(fā)器。飛思卡爾1321X-SRB傳感器參考主板的示意圖文件、物料清單、Gerber文件、軟件工程文件（.mcp）和其他設計支持材料請見：www.Freescale.com/zigbee。作為參考設計的一部分，1321X-SRB （圖 5）包括飛思卡爾MMA7260Q 三軸加速傳感器。因此，參考設計包含在幾分鐘內構建工作網絡所需的所有組件，以實現快速的概念驗證。同時，參考設計的開發(fā)使用無限使用許可，實現了控制器或SMAC代碼庫的輕松媒體接入。使用飛思卡爾的BeeKit無線連通性工具包和CodeWarior IDE（下載32K字節(jié)版本無需額外成本），您可以立即從mcp文件（與參考設計一起提供的Wireless_Uart.mcp）中開始您的應用軟件開發(fā)。

要建立新工程，只需從以下鏈接中下載免費贈送的BeeKit GUI無線設置軟件工具就可以了：

http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp code=BEEKIT_WIRELESS_CONNECTIVITY_TOOLKIT&nodeId=01J4Fs25657103&fpsp

=1&tab=Design_Tools_Tab

選擇BEEKITDOWNLOADPACKAGE.ZIP （最后一個條目），按照包含在工具下載包中的使用簡便的說明安裝BeeKit 。啟動BeeKit，您就可以看到逐步說明。解決方案探測器和向導能夠讓在創(chuàng)建工程前快速配置參數，從而降低了通過單個文件手動配置參數和分類的需要。綜合代碼庫提供無線聯網庫、應用模板和應用示例。

一旦工程創(chuàng)建完畢，您就可以進行定制（如需要的話），BeeKit將驗證您定制的每一個工程選擇，以確保沒有沖突。一旦設置了無線解決方案，您就可以采用.xml 文件導出工程，并導入CodeWarrior，開始您的應用軟件開發(fā)。

如果您使用的是其他供應商的不同參考設計，支持文件一般都可以通過web 下載從供應商那里獲得。所有下載必須包括必要的示意圖、物料清單、Gerber文件、軟件和其他文檔，以便進行完整的參考設計實施。

簡化嵌入式工程師的無線區(qū)域網絡設計工作，提高最終產品的價值

通過有組織的研究和分析工作，就會出現無線聯網應用解決方案的清晰選擇。嵌入式系統(tǒng)設計人員可以生成一些信息，做出一個能夠更好地把增值無線聯網功能融入其最終產品的合理決策。在矩陣分析開發(fā)方面所做的積極努力將通過減少開始時的挫折和錯誤機會，節(jié)約大量的設計時間和費用。該矩陣將幫助您選擇最佳的無線解決方案 ，為工程設計管理層提供設計決策演進方面的可視模式。參考設計解決方案由最富有經驗的無線和有線半導體供應商提供。

積極的、富有邏輯的、組織嚴密的設計評估與可靠的參考設計的結合有助于簡化WPAN 設計和開發(fā)，實現最快的產品上市和銷售。

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