摘要:ST的SN250是单片ZigBee/802.15.4解决方案，它集成了和IEEE 802.15.4兼容的收发器以及16位XAP2b微处理器。其集成的接收通道滤波允许和现有2.4GHz频段内的其它通信标准如蓝牙和IEEE 802.11g共存。它所集成的稳压器、VCO、环路滤波器以及功率放大器使得外接元件降到最低。本文给出了SN250的主要特性、应用范围、典型应用电路图，并介绍了一种基于SN250的无线数据终端应用设计。
关键字：SN250；XAP2b微处理器；SIF接口；无线数据终端的应用设计
1引言
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的双向无线通信技术。它主要适用于传感器网络和智能建设、信息家电领域,同时也可以嵌入各种设备中,支持地理定位功能。ZigBee技术的物理层和链路层主要采用IEEE 802. 15. 4标准,而网络层、安全协议、应用文档和市场推广主要由ZigBee联盟负责。其目标市场是工业、家庭等这些需要应用低功耗、低成本无线通信,而且对数据速率和QoS要求不高的场合。
SN250无线网络芯片是单片ZigBee/802.15.4解决方案，它基于16位RISC处理器，集成了和IEEE 802.15.4兼容的收发器以及16位XAP2b微处理器。它还集成了闪存和RAM存储器以及一些外设，以方便基于ZigBee应用的设计者使用。
2SN250功能简介
SN250内部集成的接收通道滤波允许它与现有2.4GHz频段内的其它通信标准如蓝牙和IEEE 802.11g共存。其内部集成了稳压器、VCO 、环路滤波器以及功率放大器，因此在实际应用设计中仅需要接极少的外接元件。
SN250的RF收发器采用高效率的架构，其动态范围超出IEEE 802.15.4-2003标准所建议的要求15dB，它提供一种传输促进方式，使得输出功率的增量可达5dBm，接收器敏感性可达98dBm。
XAP2b微处理器是SN250内部集成的一个功率优化内核。它支持两种不同运行方式--系统模式和应用模式。ZNet栈运行于可以访问芯片所有区域的系统模式，而应用程序代码运行于只能有限访问SN250资源的应用方式。这样可以避免应用开发者设定的预定事件对存储和寄存禁区进行修改，提高了配置方案的稳定性和可靠性。
SN250有128KB嵌入式闪存和5KB用于存储数据和程序的SRAM。为了维护由ZigBee和IEEE 802.15.4-2003标准强加制定的严密定时要求，SN250在硬件上集成一定数量的MAC功能。MAC硬件可以处理ACK的自动传送和接收、自动退出时延以及信道传输评估，并且能够实现对接收数据包的自动过滤。
为了支持用户定义的应用，SN250芯片上集成了大量的外围设备，如GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、通用计时器、电压调整器、电源重置电路、休眠定时器以及低功率休眠模式等。SN250在深度休眠模式下电流低于1μm，因此基于它开发出来的产品有较长的电池使用寿命。
SN250使用SIF模块来实现XAP2b微处理器功能强大的软件调试和编程能力。SIF是一种同步串行接口，它是SN250主要的编程和调试接口。SIF模块允许外部设备在不需要改变XAP2b内核的功能与定时的情况下实时地对寄存器的存储映像进行读写。由于SIF模块与SN250内部的程序和数据存储总线直接相连，因而它能够访问闪存、RAM以及片上寄存器的所有区域。SIF接口的最大串行转换速率是48MHz，SIF接口访问在SN250处于空闲和深度休眠模式下也能进行。
3SN250主要特点
SN250主要具有以下特点：
● 整合2.4GHz、IEEE 802.15.4规范的收发器：
- 健壮的RX过滤允许与IEEE 802.11g和蓝牙设备的共存
- 97dBm RX敏感性
- +3dBm名义上的输出功率
- 增强的无线性能模式（促进模式）可提供98dBm敏感性和5dBm传输功率；
● 集成VCO和环路滤波器；
● 整合IEEE 802.15.4 PHY及媒体控制层MAC的低位层，并具有直接存储器存取（DMA）机制；
● 整合硬件封包追踪界面（专供洞察开发环境）；
● 提供整合的RC（电阻电容）振荡器，以供低功耗运作时使用；
● 可选用32.768kHz的石英振荡器，以供高精度的应用需求；
● 16位XAP2b微处理器；
● 整合128KB的闪存及5KB的静态存储器；
● 两种休眠模式:；
- 处理器空闲[Processor idle]
- 深度休眠[Deep sleep]—1.0μm（可选32.768kHz振荡器使能时为1.5μm）；
● 提供了17个可与外围设备共享GPIO针脚；
● 两个串列控制器，专供直接存储器存取（DMA）之用:
- SC1: I2C主, SPI主, UART
- SC2: I2C主, SPI 主/从；
● 两个16位通用定时器， 一个16位休眠定时器；
● 看门狗时钟器和电源重置电路；
● 不可插入的SIF调试接口；
● 集成的AES加密加速器；
● 封装模式为QFN48 （7 x 7mm）。
4SN250应用设计
4.1 SN250应用范围及典型应用电路
SN250是基于zigbee技术的无线传输模块，具有低功耗、低速率、短距离无线通信等功能，可应用于如下场合：
● 楼宇自动化与控制
● 家庭自动化与控制
● 家庭娱乐控制
● 货物追踪
SN250芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。图1描述了SN250的典型应用电路图，其中的不平衡变压器可提供TX和RX模式下天线到SN250之间的阻抗转换。电路中必须有带下载电容器的24Hz晶振，利用它可以为SN250提供高频资源。32.768晶振用于为休眠定时器产生时钟资源。
图1 SN250典型应用电路图
4.2 SN250应用于无线数据采集终端的解决方案
市场上现有的无线条码扫描设备大多采用蓝牙为通信协议，存在功耗大、传输距离短、组网节点少且价格昂贵等特点，不能满足现代仓库管理系统的需求。因此本文提出一种基于Zigbee技术的无线数据采集终端。
无线数据采集终端主要由四个模块组成（如图2所示），即条码识读模块、SN250无线射频模块、控制主板和电源模块。其工作原理可描述为：首先构建一个基于Zigbee技术的无线局域网，然后利用条码识读器扫描所需信息，并将采集到的信号交与微处理器处理，最后将处理后的信号通过Zigbee通信模块发射到协调器节点，协调器节点再通过串口连接方式将数据传输到数据中心服务器（PC机），实现信息的自动采集和实时传输，有效地提高仓库管理工作的效率。
图2 无线数据采集终端结构图
ZigBee支持多种网络拓扑结构,如星型网、互连的星型网和网状网等。本无线数据采集系统采用星型网络拓扑实现模块的一对多和多对一通信（如图3所示）。网络最初是由协调器起动并建立的。协调器首先进行信道扫描,采用一个其他网络没有使用的空闲信道,同时规定网络拓扑参数,如最大的RFD数、路由算法等。协调器起动后,其他普通节点加入网络时,只要将自己的信道设置成与现有的协调器使用的信道相同,并提供正确的认证信息,即可请求加入网络。一个节点加入网络后,可以从FFD得到自己的短MAC地址、ZigBee网络地址以及协调器规定的拓扑参数;反之亦然。因此,协调器可以实时掌握网络的所有节点信息,维护网络信息库。
图3 无线数据采集系统结构框图
5结束语
ZigBee技术具有省电、可靠性高、成本低、时延短、网络容量大、安全等优点,填补了低成本、低功耗和低数据传输速率的无线个人局域网和短距离无线应用的空白。ZigBee技术成功的关键在于其丰富而便捷的应用,今后有望成为无线网络的主流技术。SN250是STMicroelecrtonics新宣布的ZIGBEE单芯片解决方案。其内嵌EmberZNet协议栈是STMicroelecrtonics和Ember公司共同开发的，为开发出无接口、紧凑、高性能和可靠的无线网络产品提供了便利。相信在未来几年，它的应用将会涉及到社会的更多领域。
参考文献
[1] SN250 Single-chip ZigBee? 802.15.4 solution
[2]瞿雷，刘盛德等，ZigBee技术及应用，北京航空航天大学出版社，2007
[3]吕治安编著，ZigBee网络原理与应用开发，北京航空航天大学出版社，2008
[4]Edgar H.Callaway, Jr.著，王永斌等主译，无线传感器网络：体系结构与协议，电子工业出版社，2007
作者简介
颜艳华，武警工程学院通信系研究生，主要研究方向为无线通信技术与电子技术应用；
刘军，武警工程学院通信系电子技术教研室主任，主要研究方向为无线通信技术与电子技术应用。
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