符合RF4CE標準簡化遠程控制設計的解決方案

基于IEEE 802.15.4堆棧，ZigBee RF4CE規(guī)范為實現(xiàn)家庭自動化應用所需的短程雙向通信子系統(tǒng)提供了行業(yè)標準。 ZigBee RF4CE旨在簡化終端應用的設計，可作為建立在802.15.4標準PHY/MAC層之上的網(wǎng)絡層，使用802.15.4 2.4 GHz頻段內(nèi)的信道子集。對于工程師而言，由于Atmel，F(xiàn)reescale Semiconductor，Microchip Technology，STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商提供的符合RF4CE標準的解決方案，構(gòu)建靈活的無線遠程控制解決方案已大大簡化。

RF4CE應用程序主要包括兩種類型的設備：主機或“目標”設備（如電視或DVR）和遠程控制設備（如手持式點擊器或家庭自動化接口）（圖1）。為了幫助簡化這些要求苛刻的低功耗子系統(tǒng)的設計，半導體制造商將節(jié)能設備與相關軟件庫相結(jié)合，以提供全面的RF4CE解決方案。

圖1：ZigBee RF4CE應用程序包括遠程和主機組件，這些組件使用RF4CE協(xié)議在家庭自動化個人區(qū)域網(wǎng)絡中傳輸雙向數(shù)據(jù)以進行控制和狀態(tài)（PAN ）。 （德州儀器公司提供。）

針對遠程和目標端設計，德州儀器CC2533片上系統(tǒng)（SoC）器件為ZigBee RF4CE應用提供單芯片解決方案。除了低功耗8051 MCU內(nèi)核外，CC2533還包括一個完整的2.4 GHz iEEE 802.15.4兼容收發(fā)器，能夠提供高達4.5 dBm的輸出功率和7 dBm的升壓模式傳輸。 CC2533提供多種配置，具有高達96 KB的閃存和6 KB的RAM，只需很少的外部組件即可實現(xiàn)全功能的遠程控制設計（圖2）。

圖2：TI CC2533在單個器件上集成了完整的ZigBee RF4CE解決方案，可顯著減少無線遙控應用的器件數(shù)量。可選的晶體振蕩器通常僅在使用非常低的睡眠電流但需要準確的喚醒時間的應用中才需要。 （德州儀器公司提供。）

該器件提供各種低功耗模式，以確保低占空比應用中的低功耗工作。例如，CC2533在內(nèi)部睡眠定時器運行的低功耗模式下僅需1μA，在低功耗模式下僅需0.5μA，器件僅在響應外部中斷時才會喚醒。

TI提供器件及其符合ZigBee RF4CE標準的協(xié)議棧，參考設計和示例軟件。工程師還可以使用用于CC2533的TI CC2533DK-RF4CE-BA RF4CE開發(fā)套件評估器件及其軟件。

飛思卡爾半導體MC13213是一款單芯片ZigBee RF4CE解決方案，集成了符合802.15.4標準的收發(fā)器，HCS08 MCU內(nèi)核，60 KB閃存和4 KB RAM。收發(fā)器包括低噪聲放大器（LNA），帶內(nèi)部壓控振蕩器的功率放大器（PA），集成發(fā)送/接收開關，片上電源調(diào)節(jié)以及全擴頻編碼和解碼。該器件支持多種天線配置，包括簡化的單天線選項，可實現(xiàn)極低的外部元件數(shù)量。

在此單天線模式下，設備的內(nèi)部發(fā)送/接收開關使板載LNA可用于接收操作，板載PA可用于發(fā)送功能。此處，平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器將單端天線信號轉(zhuǎn)換為連接到RFIN_x或PAO_x引腳的差分信號，而CT_Bias引腳則為平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器提供適當?shù)钠命c（圖3）。

圖3：飛思卡爾MC13213通過支持工程師可以選擇的多項操作來幫助簡化設計，從而減少部件數(shù)量。這里，器件引腳配置為支持單天線設計。 （由飛思卡爾半導體公司提供。）

飛思卡爾的MC1322x系列（如MC13224V）提供更大的容量和性能。 MC1322x器件基于ARM7TDMI-S 32位內(nèi)核，支持80 Kbyte ROM用于軟件和128 Kbyte閃存，鏡像到RAM中，可實現(xiàn)更高效的應用軟件設計。該器件還具有高靈活性，可與RF無線電接口配合使用，可獨立運行或與外部設備配合使用（圖4）。工程師可以選擇將該器件用作單芯片解決方案，該解決方案利用片內(nèi)巴倫，TX/RX開關，PA和LNA。 RF無線電接口還允許使用外部PA和外部LNA，因此工程師可以將器件與外部組件結(jié)合使用，以滿足需要更大信號范圍的應用。

圖4：除了片上RF無線電元件外，MC1322x還可以配置為使用外部功率放大器和外部低噪聲放大器來支持擴展范圍基于RF4CE的設計。 （由飛思卡爾半導體公司提供。）

飛思卡爾將其硅解決方案與其實施ZigBee RF4CE協(xié)議的BeeStack Consumer堆棧相結(jié)合。 BeeStack軟件需要大約32 KB的內(nèi)存，并提供兩種開發(fā)選項：工程師可以通過嵌入式處理器上運行的API訪問堆棧，或使用串行命令集以黑盒模式訪問堆棧。

對于STM32W108C8 SoC，STMicroelectronics將ARM Cortex-M3處理器與Thumb-2指令集結(jié)合在一起，為SoC的片上RF無線電提供強大的數(shù)字處理補充。 ST將MAC功能的元素折疊到硬件中，以確保基于該部分的設計可以輕松滿足IEEE 802.15.4-2003標準強加的嚴格時序要求。此外，ST設計的收發(fā)器可提供超過標準動態(tài)范圍要求15 dB的RF性能。同時，該器件具有多種先進的電源管理功能，有助于確保較長的電池壽命。

除了這些單芯片解決方案外，工程師還可以找到RF4CE平臺，使其能夠混合和匹配收發(fā)器和處理器功能，以滿足功能和成本的特定要求。例如，Microchip將其ZigBee RF4CE的實現(xiàn)分為兩對芯片--MRF24J40 2.4 GHz IEEE 802.15.4收發(fā)器及其PIC XLP系列超低功耗MCU（圖5）。

圖5：多芯片解決方案允許工程師使用Microchip MRF24J40收發(fā)器等設備單獨優(yōu)化RC4CE堆棧的上層和下層，以及Microchip系列PIC XLP MCU的理想成員。 （由Microchip Technology提供。）

提供PHY/MAC通信功能，MRF24J40將低IF接收器架構(gòu)與直接轉(zhuǎn)換發(fā)送器架構(gòu)相結(jié)合，該架構(gòu)通過器件的四線SPI，中斷，喚醒和復位引腳。 PIC MCU完成具有所需處理能力的堆棧，同時確保最低功耗。例如，PIC24F16 16位MCU系列在看門狗定時器模式下運行時僅需要約350 nA。通過這種方法，Microchip實現(xiàn)了一種高效的無線控制解決方案，需要僅為16 KB的RF4CE堆棧，并針對較長的電池壽命進行了優(yōu)化。

Atmel將其AT86RF23x收發(fā)器芯片與其AVR MCU系列配對，以提供靈活的ZigBee RF4CE解決方案。 AT86RF230和AT86RF231專為ZigBee/IEEE 802.15.4應用而設計，是低功耗2.4 GHz無線電收發(fā)器，集成了片內(nèi)所有RF元件，僅需外部天線，晶體和去耦電容。兩款器件均具有-17至3 dBm的可編程輸出功率和-101 dBm的接收靈敏度。

ZigBee RF4CE適用于家庭自動化應用，提供靈活的方法來實現(xiàn)非視距控制。為了簡化兼容產(chǎn)品的設計，半導體制造商正在提供越來越多的設備，這些設備實現(xiàn)RF4CE協(xié)議的單獨部分或在芯片上提供完整的解決方案。憑借這些高性能收發(fā)器和SoC的可用性，工程師可以選擇最有效的設計方案，以提供符合ZigBee RF4CE的功能強大，經(jīng)濟高效的無線遙控產(chǎn)品。