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事務協議、Modem的工作模式等編程結構，實現了構件化的底層硬件驅動程序和物理層數據包收發程序，并基于構件對物理層協議進行了詳細的測試，驗證了物理層功能的可靠性和穩定性。結果表明，基于單芯片設計的ZigBee物理層協議穩定可靠，易于應用到實際項目中。
關鍵詞： ZigBee協議；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聯盟提出。2004年12月，ZigBee聯盟制定了ZigBee SpecificationV1.0。至今ZigBee技術已經得到了廣泛的發展和應用。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(SoC)的出現，ZigBee硬件也發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，Freescale公司的MC1321x降低了ZigBee開發者對硬件射頻電路的要求，加速了ZigBee系統的開發，同時具有較高的穩定性和可靠性。
    為了更好地推廣應用ZigBee，本文對物理層協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，因此物理層的穩定可靠關系到整個協議棧的健壯性，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(SoC)——MC13213設計了一個較通用的單芯片ZigBee硬件平臺，分析和實現了ZigBee協議物理層，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科學醫療頻段。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”實現和基于868/915 MHz頻段的“長距離”實現，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器，對信道進行能量檢測ED(Energy Detect)，提供所接收數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，數據發送和接收等。
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器MC1320x[3-4] (后文中將用MCU和Modem分別代表MCU模塊和射頻收發器模塊)。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/發開關(T/R switch)，這在很大程度上降低了系統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和控制信號與主控MCU實現交互，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、讀取Modem的狀態和控制信息。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的發送、接收和CCA等操作。GPIO1引腳反映了Modem收發機是否忙，GPIO2引腳可以反映所接收數據包的循環冗余校驗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協議基礎上實現的一個擴展SPI協議。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，每個字節對應一個SPI脈沖(SPI burst)，其中1≤N≤64，且為整數，代表每個SPI事務中所包含的字(word)數，當N=1時，稱為SPI單次事務(SPI singular transaction)；其他情況稱為SPI循環事務(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)。
2.3 Modem的數據傳輸模式
    Modem定義了兩種數據傳輸模式：Stream模式和Packet模式。在Stream模式中，數據的發送和接收是逐字(word-by-word)處理的。而在Packet模式中，發送時，發送方先將待發送數據緩存在Modem的發送緩沖區(TX RAM)中，然后再發送；接收時，接收方先在接收緩沖區(RX RAM)中緩存收到的整個數據包，然后再通知MCU來讀取。雖然Packet模式下數據的接收有稍許延遲，但其降低了對MCU的資源要求[7]，在本協議棧實現過程中使用這種數據傳輸模式。
3 物理層構件設計
    基于MC13213單芯片的ZigBee平臺實現物理層協議構件程序的設計，首先必須編寫底層硬件驅動程序，然后設置Modem的運行方式，再進行數據包收發程序的設計等。
3.1 底層硬件驅動程序的實現
    硬件驅動程序介于底層硬件和ZigBee協議棧之間，可以使得運行于硬件之上的ZigBee協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循環事務的實現，下面以Packet模式下發送和接收3 B數據的完整過程來描述對Modem RX/TX RAM的SPI循環讀寫操作，如圖3所示。其中，RX/TX RAM的長度為128 B。圖中假定MCU均是以字節數組的形式來保存待發送或接收到的數據。

    從圖3可以看出，讀/寫RAM時的SPI通信是最高有效位優先(MSB-first)的，而在無線發送/接收過程中是最低有效位優先LSB-first(Least Significant Bit first)的，但在編寫SPI循環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送方的數據時產生比特位順序的改變。
    需要特別注意的是，由于SPI事務要求所有的數據傳輸都是按16 bit寬度進行的，當發送數據是奇數個字節時，其最后一字節數據要進行特別處理，即需填充一個任意字節以湊滿16 bit寬度，但是這個拼湊的字節和最后那個有效字節的發送順序必須按照圖3中的順序進行，即先發填充字節，以保證在TX RAM中，最后一字節緊跟在前面的偶數個字節之后。而在最后一字節數據之前的偶數個字節數據由于是16 bit寬度的倍數，所以在發送每個字時對字節發送順序沒有特別要求，只要接收方和發送方按照同一種順序收發各字節即可。
3.1.1 使用SPI循環寫事務向TX RAM中寫入待發送數據
    執行這個操作之前，待發送數據長度應已經寫入TX_Pkt_Control寄存器的tx_pkt_length[6：0]字段。
MCU向TX RAM中寫入待發送數據的一般流程如下：
    (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)計算寫入待發送數據所需要的SPI脈沖個數，注意：
    ①CRC字節不需寫入到TX RAM中，它是由硬件自動產生的；
    ②待發送數據的最大長度為125 B(去掉2 B的CRC)；
    ③必須為偶數個字節，若數據長度為奇數個字節，應加1使其變為偶數。
    (3)做一個SPI循環寫事務來寫入數據：
    ①MCU拉低SPI模塊的片選信號CE，選中Modem；
    ②MCU向Modem發送第一個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，寫入待發送數據；
    ④MCU拉高CE，使片選失效；
    (4)整個寫操作結束。
3.1.2 使用SPI循環讀事務讀取RX RAM中的已接收數據
    MCU讀取RX RAM中的已接收數據的一般流程如下：
    (1)MCU讀Modem的RX_Status寄存器rx_pkt_latch[6：0]字段以獲取數據長度。
    (2)計算讀取RX RAM中的已接收數據所需要的SPI脈沖個數：
    ①通常不讀取2 B的CRC，所以數據長度應減去2；
    ②若數據長度為奇數個字節，應加1使其變為偶數；
    ③按照Modem SPI事務協議的規定，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，這樣又導致了數據長度加2。
    (3)做一個SPI循環讀事務來讀取數據：
    ①MCU拉低SPI模塊的片選信號CE，選中Modem；
    ②MCU向Modem發送第一個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脈沖個數讀取所有數據。注意，協議規定應丟棄讀到的第一個字(word)。當數據為奇數個字節時，應丟棄圖3中的那個填充字節；
    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、發送數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]。
    收發機狀態設置是通過調用設置收發狀態函數實現的，其函數頭如下：
//-----------------------------------------*
//功能： 設置收發機狀態函數，把收發機設置成用戶期望的狀態
//參數： nDesiredStatus         - 用戶期望狀態
//返回： SUCCESS               - 成功設置成指定模式；
//           等于用戶期望模式-收發機之前就處于用戶期望狀態；
//            其他                      - 表示執行失敗；
//說明： 無
//----------------------------------------*
INT8U PLMESetTRXState(INT8U nDesiredStatus)；
3.3 物理層數據包的收發
    物理層數據稱為物理層數據單元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據包的長度信息，在0~127之間；物理層服務數據單元PSDU(PHY Service Data Unit)也稱物理層載荷，攜帶MAC層的幀信息，即MAC層協議數據單元MPDU(MAC Protocol Data Unit)。注意，CRC檢驗字節包含在PSDU中的最后兩字節中。

    物理層數據包的發送和接收比較簡單，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)物理層數據包的發送
    Packet模式下發送數據包的過程是在物理層數據請求函數中實現的，在函數實現過程中，應根據要求，向上層通知數據發送結果的狀態信息。其函數頭如下：
//------------------------------------------------*
//功能： 數據請求函數，生成物理層協議數據單元(PPDU)并無線發送出去
//參數： nPSDULength-物理層PSDU(即MAC層的MPDU)中的字節數，
//                   長度要<=aMaxPHYPacketSize(物理層最大數據包容量)
//       pPSDU      - 指向物理層PSDU數據的指針
//返回： SUCCESS - 發送成功；其他值 - 發送失敗
//說明： 由MAC層調用
//-----------------------------------------*
INT8U PDDataRequest(INT8U nPSDULength， INT8U *pPSDU)；
    (2)物理層數據包的接收
    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時有其他Modem在同一信道上發送數據，則Modem會接收到這些數據。
本協議棧實現Packet模式下接收數據包時，為物理層數據包實現了一個環形的接收緩沖區，以保證數據的及時可靠接收，其結構定義如下：
    //PSDU最大數據包長度(不包括CRC)
#define PSDUMaxLen              125
//PSDU數據包定義
typedef struct PSDURxPacket_tag
{   INT8U m_nLen；
    INT8U m_nData[PSDUMaxLen]；
    INT8U m_nStatus；
    INT8U m_nLQI；
} PSDURxPacket_t；

//PSDU數據接收緩沖區個數
#define PSDURxBufferNum         8
//PSDU數據接收緩沖區定義
typedef struct PSDURxBuffer_tag
{   INT8U m_nPSDUCount；
    INT8U m_nHead；
    INT8U m_nTrail；
    PSDURxPacket_t m_sPSDU[PSDURxBufferNum]；
} PSDURxBuffer_t；

//定義PSDU環形接收緩沖區
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，包括物理層支持的信道列表、當前用于發送和接收的信道、物理層的發射功率以及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來實現，由于物理層的屬性較少，直接通過switch/case語句實現即可。
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，然后再進行數據包收發測試。
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 物理層數據包的收發測試
    物理層數據包的收發測試需要一個發送節點和一個接收節點相互配合。對于能否正確收發需要測試兩種情況，發送節點分別發送奇數個和偶數個字節的數據，看接收節點能否正確收到。這部分的測試是借助于串口調試工具來完成的，接收節點把收到的數據發往PC機串口顯示。
    物理層數據包收發的可靠性測試條件如下：一個發送節點和一個接收節點，二者相距5 m左右，其中發送節點每次發送長度為20 B的數據，并且數據中的最后2 B作為一個16 bit的整數，用來記錄發送次數，每發送一次其值加1。發送節點何時開始發送數據由PC方測試軟件控制，接收節點負責接收數據并發給PC端測試軟件顯示，通過比較發送字節數與接收字節數以及數據中的發送次數字段，可以得出數據丟失情況。所有的測試數據會寫入后臺的ACCESS數據庫中，以供將來進行數據的統計分析。試驗中測試的一組數據如表1所示，丟包率不超過0.1%。

    本文研究了ZigBee協議物理層的SPI事務協議、Modem的工作模式等關鍵技術和編程方法，實現了基于單芯片ZigBee平臺的構件化的底層硬件驅動程序和物理層數據包收發程序。測試表明，此硬件平臺穩定可靠、實現容易，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協議棧后續其他層的研究和實現打下了基礎，并為其他協議的應用研究提供了參考。
參考文獻
[1] 劉新，吳秋峰.無線個域網技術及相關協議[J].計算機工程，2006，32(22)：102-103.
[2] 吳光榮，章劍雄.ZigBee網絡系統節點硬件設計與實現[J].杭州電子科技大學學報，2008，28(4)：49-52.
[3] IEEE. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks[S]. IEEE Std 802.15.4-2006， September 2006.
[4] IEEE. Wireless medium access control(MAC) and physical layer(PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks[S]. IEEE Std 802.15.4-2003， October 2003.
[5] ZigBee Alliance. ZigBee specification[EB/OL]. http：//www.zigbee. org/en/spec-download， 2007.
[6] Freescale. MC13213： 2.4GHz RF transceiver and 8-bit MCU with 60K of flash for ZigBee applications[EB/OL]. http：//www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary. jsp?code=MC13213&nodeId=0106B9869925657103， 2009.
[7] Freescale. MC13224V： MC1322x platform in a package[EB/OL]. http：//www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MC13224V&nodeId=0106B9869925657103， 2009.
[8] Freescale. MC13213RM. pdf[DB/OL]. http： //www. freescale. com/， 2009.