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探討Zigbee射頻模組與應用設計

( 01 Sep 2007 )
Jon Titus,資深技術編輯

生活中每種電子產品都有無線鏈路，像是鄰居家的噴水器中就有無線單元，可以在室內設定澆水時間和順序。加上眾多廠家推出了各種晶片和模組，使工程師能輕鬆地在新產品及現有的設計中加入無線鏈路。有很多設備都符合IEEE-802.15.4中針對無線個人網路(WPAN)的規範，這種規範規定較低的傳輸速率、短距離通訊及低功耗運行。但在某些情況下，非標準的晶片與模組也能適用。

人們對指定用於傳輸資訊的射頻或物理層的802.15.4標準還有些混淆。例如，常用的ZigBee協議，就是在符合802.15.4標準的射頻基礎上構建的。ZigBee需要一個定義應用如何進行通訊的“協議堆疊”。需要注意，ZigBee與802.15.4並不相同。(圖1)除了ZigBee之外，其他協定可以使用802.15.4射頻。(ZigBee協定堆疊很像TCP/IP協定堆疊，後者是一系列分隔硬體與應用程式的軟體層。)

工程師可以任意使用內建在某些射頻模組中ZigBee協定堆疊。但是，這並不能保證不同廠商間的ZigBee設備具有良好的互操作性。到目前為止，ZigBeeAlliance 已開發了一個針對家庭自動化產品製造商的標準規範。採用該規範的企業可提供能相互通訊的設備，如溫控器及開關等。而其他產業的工程師們在遇到產品相容性的問題時，就要自己去解決了。根據終端應用的不同，採用802.15.4射頻規範的專有通訊產品及協定與採用ZigBee的產品相比，性能毫不遜色，甚至更好。

工程師們可以從大量的晶片、模組、開發套件、軟體工作及提供ZigBee或專有通訊協定的相關產品中隨意選擇。本文將介紹一些企業與產品，並在“無線晶片與模組資源”清單中列出其他的企業和產品。

ZIGBEE廣泛普及
典型ZigBee網狀網路中的射頻覆蓋了較大的區域，並能在許多無線電模組至無線電模組中繼間傳輸資訊。網路可以有多種結構，如圖2所示。“抄表系統中就有網狀網路，”Microchip Technology的先進微控制器架構部門高級應用經理Rodger Richey表示。“電錶、水錶、煤氣表之間可以互相通訊，並將消息傳遞到主資料擷取中心。”

家庭控制系統中的ZigBee包括10到12個節點，如電燈開關。”Richey指出。“ZigBee支援64,000個以上的節點，所以其協定需要大量代碼來維持路由選擇表及其它協定資訊。典型的ZigBee協定堆疊需要64KB至96KB的記憶體，而有些協定堆疊則需要128KB的記憶體，所以即使簡單的符合ZigBee規範的燈光開關也需要昂貴的大型MCU。在某些情況下，ZigBee有些大材小用了。”

為了幫助工程師設計小型網路，Microchip開發其的協議堆疊―MiWi，是一個能與與802.15.4radio規範配合工作的“較薄”的媒介接取控制(MAC)層。MiWi協定堆疊需要4 Kbytes的記憶體才能運行PIC16 MCU。該協議可支援星形、樹狀及網狀網路中的的1,000個節點，並且可以實現四個節點到節點的中繼。

Cirronet推出的模組中包括完整的ZigBee協議堆疊。Cirronet並提供自己的ZigBee規範，使編程人員無需編寫任何代碼即可控制通訊。“多數情況下，工程師們都採用我們的規範，”Cirronet行銷副總裁Tim Cutler解釋。“如果想要節點在定時時間過後可以自動喚醒並傳輸資料，利用我們的規範就可控制這種操作。”

如果開發人員需要自己的協定，MaxStream的應用工程師們可以有效幫助使用者。“通常情況下，應用並不需要複雜的協定，”MaxStream的技術支援經理John Schwartz表示。“收發器發出封包並接收響應訊號。如果接收不到回應訊號，會按設定的次數重發封包。開發人員開始設計協定時，必須考慮網路如何通訊如何及處理可能出現的問題。”如果設備間有簡單的有線連接，可以不考慮如何檢測錯誤及如何請求重新傳輸資料。

另外專有無線電模組類型也有一席之地，例如Vishay的RFWaves生產採用直接序列展頻和跳頻展頻技術在2.4GHz非授權ISM波段工作的無線電模組。儘管在ISM波段有許多其他射頻設備，Vishay模組還是能與之共存。

Vishay RFW122L/RFW122M、RFW8M及RFW3M模組有20M的室內通訊距離，具有射頻放大器的模組的室內通訊距離可達60M。後一種模組可以在8Mbps的頻率上工作，非常適於視訊與音訊通訊。“開發人員把這些模組視為黑匣子，” Vishay的RFWaves部門副總裁David Ben-Bassat表示。“工程師不需要瞭解其內部的工作原理，只要將模組與數位電路連接就可以工作了。只要將模組的數位訊號處理好，RF部分就可以執行其任務了。”

據Ben-Bassat介紹，無線市場分成標準技術與專有技術兩部分。“根據其性質，標準技術耗費很大的開銷，而精簡的專有技術可以最佳化應用的成本和性能。”

在某些情況下，專有技術還具有其他優勢，設備廠商不想讓其產品與其他廠商的商品配合使用。“如果是銷售家庭安全系統，Microchip的Rodger Richey說。“你就會要將每個家庭把握成自己的獨家客戶，而不希望其他廠家再銷售對你系統的附加產品。”在那種情況下，專有方案可保護業者業務的獨特性。

儘管無線電模組廠商提供了多種模組、晶片與晶片組，許多客戶還希望簡化設計，購買整合將無線電模組和MCU整的晶片。例如，Ember公司在其EM250 ZigBee晶片上提供了Cambridge Consultants XAP-2 MCU核心。“該晶片看上去像是具有I/O針腳、計時器及無線電模組的標準MCU，”Embe的技術長Andy Wheeler表示。“它一側有天線，另一側有數字I/O。”工程師們可用C語言對MCU進行編程，並將其代碼鏈結到Ember ZigBee庫中。

但這種方法會對工程師們有所限制，只能採用一種類型的處理器，可利用少量的週邊、且I/O埠較少。但根據情況，像是需要一個乙太網路連接，可以再添加一個晶片來實現這種能力。以Microchip為例，就繼續採用隔離射頻與MCU的雙晶片方式。“客戶可以選擇無線電模組，並將其與我們的任何MCU配合，”Microchip的Richey說。“這樣，如果使用者需要乙太網路埠、更快的ADC或更多記憶體的話，就可選擇不同的MCU。”

希望從單晶片轉向多晶片的工程師們可以選擇一體式模組，包括無線電模組、MCU、I/O埠及數位通訊。儘管這種結構比單個晶片和元件的成本高，至少有一個優勢，風險較低。“如果晶片廠商升級其晶片，或協定規範發生變化，我們就會相應地修改設計。”MaxStream的John Schwartz表示。“在很多情況下，用戶不知道這種差異。我們承擔了這種風險，並保證無論我們的模組內部採用什麼晶片，都能滿足特定規範的要求。”

您想要做什麼？
在工程師採用一種無線通訊技術之前，他們明白這種希望通訊系統能夠做什麼。工程師們一般都不在乎關鍵的基礎技術，他們只想解決問題。“如果需要一個簡單的點對點鏈路，可以使用我們的CC2420 802.15.4 晶片，”Texas Instruments低功耗射頻產品部的業務開發經理Mark Grazier表示。“多數情況下，如果設備間的距離較短，只需無線電模組的即可。這種情況下，工程師們可以採用CC2430DK開發套件，來編寫代碼及在兩點間傳遞資料。”

但是，如果用戶需要全網狀網路或多節點跳躍中繼網路，可以購買TI的CC2430ZDK ZigBee開發套件，它有五個節點、一個主機板及一個可用來檢查傳輸資料封包的封包偵測器。(參見：對ZigBee進行封包偵測器測試)

據MaxStream的John Schwartz 介紹，所有新應用都要求點對多點的通訊。“一個新客戶說，他們不需要完全成熟的網狀網路，只要有限的網狀網路就行了，以防止出現不能通訊的節點。網狀網路提供了備用方案。”MaxStream是Digi International的子公司，提供各種射頻開發套件，這些產品能支援從數百英尺到40哩的通訊距離。Rabbit Semiconductor為Digi另一家子公司，在其ZigBee/802.15.4應用開發套件中使用MaxStream XBee模組。

無線電模組能傳輸多遠的距離？“距離取決於物理條件：無線電模組之間的媒介、有多少路徑及從A模組到B模組間有多少反射、及其它效應。”TI的Mark Grazier表示。Grazier還指出， ZigBee網路中能安置多少節點另一個重要議題。“我們對200個以上的節點進行了測試，現在已經有些企業開始在較大建築物內的監控系統中建置ZigBee產品，這些應用有助於瞭解什麼是最實用的。”

“我和那些認為其設計能達到規格表上的可視距離的人談過，他們並不進行任何測試，建置原型產品只是要找出不能通訊的節點。那樣的話，只能採用網狀網路來解決距離問題，但他們不會對計畫或預算進行改動來採用網狀網路。”axStream的John Schwartz表示。

Schwartz 建議工程師們在典型的工作環境下對其設計進行測試，如辦公室建築、家庭、室外等環境。模組的指定室通訊內距離是300ft，但在某些室內條件下該距離可以擴展到60ft。在室外無障礙的條件下，無線電模組能傳播1.5哩，在樹林中可以傳播300ft的距離。“如果工程師們在建置之前對產品進行了測試，就能瞭解該產品現場如何工作了，”Schwartz補充。

“我們幫助業者選擇模組、工作頻率、資料傳輸速率等。一般來說，新起步的小型公司會製造新的無線產品，而成熟的企業會在現有的產品中添加無線功能。” Cutler說。像其他企業一樣，Cirronet為其所有的模組提供開發套件。首先，工程師可以設置無線鏈結來連接兩台PC，使二者間可以互相通訊。這一步有助於工程師們瞭解如何使用套件的API，及如何控制基本的模組操作。其次，工程師們可以使用套件作為標準參考。如果遇到問題，可以返回到開發套件查找原因。這樣就可以確定究竟是無線網路問題，還是如何在其設計中應用模組的問題。

除了建置單個節點外，系統設計師們開必須建立控制點或基地台，以收集資料並將其發送到中央節點。(ZigBee系統將這種無線電模組作為協調器。)客戶將模組設計到新產品中後，他們會將模組放置在靠近PC的盒中作為基地台。”Cirronet的Tim Cutler表示。“我們不建議設計其自己的基地台，可以購買現成的，而把精力集中在自己產品的設計上。”

某些必要的經驗
Microchip Technology先進微控制器架構部的行銷經理Nate Smith說：“某些工程師有豐富的RF經驗，有些是缺乏經驗，但掌握很多嵌入式系統的知識。這兩種人都想將ZigBee功能添加到設計中。”據Smith介紹，許多設計師認為只需將模組添加到設計中，就可以進行無線通訊了。有時，這種方式比較有效。儘管如此，擁有RF電路的經驗還是有用的。

對某些工程師來說，天線設計的過程有點像魔術。像其他企業一樣，Vishay的RFWaves Division推出了具天線的模組及無天線的模組。“我們的RFW122L模組中有內建的環形天線” David Ben-Bassat解釋。應用資訊表明安置天線的位置、什麼位置不能安置天線，按照步驟進行即可避免問題。”RFWaves提供了技術支援以防開發人員遇到意料不到的障礙。

“除非具有RF經驗，否則自行設計RF天線困難重重。”Ben-Bassat表示。若是試圖設計自己的天線，設計不好的天線會損耗大量的RF能量，只能達到基本的無線性能。Vishay的工程師可以指導客戶尋找專業顧問和企業來協助進行天線設計。

Cirronet的Tim Cutler在開始調查無線設計時，希望與工程師們討論關於天線位置的問題。“如果計畫在產品內使用天線，我們可提供關於合適的安置位置的提示，還要考慮天線的輻射方向圖，及如何將模組與天線連接起來。如果需要為RF訊號引出一個PCB源極引線，我們會指引如何創建50Ω的導體。”

TI對設計人員提出了兩個基本問題：第一，你以前設計過RF電路嗎？第二，你熟悉天線佈局及RF匹配電路嗎？“工程師們採用我們的開發套件、建立原型產品後，就可以瞭解電路板是如何工作。這樣就可以開始自己的設計了，”TI的Mark Grazier表示。“但很多人都沒有建立過自己的天線佈局，50Ω的接線端子及天線與PC間的不平衡變壓器就是一個問題。”

為了幫助解決天線問題，TI在Gerber檔中提供了參考設計(對天線)，用戶可下載該檔，無需改動即可直接使用，進一步有了現成的PCB設計可協助快速地完成產品設計。為了保證電路工作，用戶必須使用推薦的元件，Grazier強調：“我們列出了特定的元件，如電壓及電容，以方便工程師們能夠完全重現我們的參考設計。”

“在設計及測試產品後，還需要進行某種級別FCC(美國聯邦通訊)認證。儘管採用晶片的設計比模組更有價格優勢，但基於晶片的設計還要經過認證。模組可能也具有某些FCC的認證。我們所有的模組都獲得了FCC認證，還取得了ETSI認證(歐洲電信標準化組織)，”Cirronet的Tim Cutler表示“我們FCC的認證免除了對於終端產品的型式認可。在歐洲，產品需要有CE標記，但ETSI規範免除了進行某些國際性的輻射測試。”

Microchip 的Rodger Richey介紹，在FCC認證中如果出現問題，就要進行超負荷測試。“例如工程師採用資料表中的參考設計，並將其用於PCB上。在測試過程中，其產品沒能符合FCC規範。他們就不知道該如何解決這些問題。最大的費用不是來自FCC測試本身，而是來自於反覆地重新設計直到通過標準。”進行認證前測試，或是諮詢晶片及模組供應商，可避免或克服在滿足強制規範中所遇到的問題。

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