Un microcontrollore con transceiver ZigBee integrato

La famiglia MC1321X è progettata  per fornire un elevato livello di integrazione, combinando le MCU della serie HCS08 ed un transceiver ZigBee a 2.4GHz in un singolo package di tipo LGA 71 pin. Il transceiver RF è compatibile con lo standard IEEE 802.15.4. Sebbene lo standard prevede la possibilità di trasmettere dati su tre frequenze (2.4GHz, 868MHz, 915MHz), per ragioni strategiche Freescale (ora NXP), come la maggior parte degli altri costruttori, ha realizzato i suoi dispositivi in modo che operino nella banda ISM a 2.4GHz.

Introduzione

Il modem include un amplificatore a basso rumore (LNA) con un potenza di uscita pari a 1mW, un oscillatore controllato in tensione (VCO), uno switch per la trasmissione/ricezione, un regolatore di tensione ed un decoder/encoder spread-spectrum tipico della modulazione DSSS utilizzata nello standard ZigBee. Esso rappresenta un’evoluzione rispetto alla famiglia HC08, aggiungendo alcune istruzioni e funzionalità dedicate al debug ed alla riduzione del consumo di potenza. I moduli MC1321X sono disponibili in modelli con prestazioni  crescenti, a seconda delle applicazioni a cui sono destinati:

  • MC13211. Dispone di 16kB di FLASH ed 1kB di RAM. È ideale per connessioni wireless semplici e  consente di realizzare fino a reti di tipo “Star” o “Point to Point” in soluzioni proprietarie; non consente di migrare verso la proposta successiva.
  • MC13212. Contiene 32kB di FLASH e 2kB di RAM. Tale soluzione consente di realizzazione reti proprietarie fino  a  “Cluster  Tree”;  inoltre prevede: encryption (sicurezza), beacon mode (ulteriore risparmio energetico), compliant MAC (livello MAC secondo  le specifiche  dello standard); possibilità di migrare verso la proposta di livello massimo;
  • MC13213/14. Questa proposta offre il massimo sia in termini di prestazioni che di flessibilità perché Full Compliant ZigBee. La gestione dell’intero Stack ZigBee (Z-Stack) supporta:
    • ZigBee specifica 1.0;
    • tutti i tipi di rete: Star, Mesh, Cluster-Tree;
    • gestisce l’Advanced Encryption standard (AES) a 128bit security level.

La Tabella 1 riassume le principali caratteristiche dei tre moduli.

Tabella 1. Le principali caratteristiche dei quattro moduli MC13211, MC13212, MC13213/14

Tabella 1: le principali caratteristiche dei quattro moduli MC13211, MC13212, MC13213/14

Possibili applicazioni di questo modulo sono:

  • Automazione commerciale e residenziale:
    • Controllo illuminazione
    • Sicurezza
    • Controllo accessi
    • Riscaldamento, ventilazione, aria condizionata HVAC)
    • Automated Meter Reading (AMR)
  • Controllo industriale:
    • Sicurezza degli edifici
    • Processi di gestione
    • Controllo e monitoraggio degli ambienti
    • HVAC
    • AMR
  • Medicale:
    • Monitoraggio dei pazienti
    • Monitoraggio della salute

CARATTERISTICHE TECNICHE

Lo schema a blocchi dell’intero modulo è riportato in Figura 1;  ad esso si farà riferimento nel corso dell’articolo.

Figura 3. Schema a blocchi del modulo MC1321X

Figura 1: schema a blocchi del modulo MC1321X

La comunicazione tra la CPU ed il modem integrati nel modulo MC1321X avviene tramite interfaccia SPI (Serial Peripheral Interface) dedicata. L’unica configurazione possibile è CPU master e modem slave. Il valore massimo utilizzabile per la frequenza è di 8MHz. Tale limite è imposto dal modem. Le interconnessioni tra i due dispositivi sono riportate nello schema di Figura 2.

Figura 4. Schema delle interconnessione tra MCU e modem. Tutte le interconnessione sono interne al modulo SiP.

Figura 2: schema delle interconnessione tra MCU e modem. Tutte le interconnessione sono interne al modulo SiP.

Esse sono effettuare internamente al modulo SiP. La relativa descrizione è riportata in Tabella 2.

Tabella 2. Descrizione delle connessione interne SPI

Tabella 2: descrizione delle connessione interne SPI

Il modem IEEE 802.15.4

Uno schema dettagliato dei blocchi interni del modem ZigBee è illustrato in Figura 3.

Figura 5. Schema a blocchi del modem integrato nel modulo MC1321X

Figura 3: schema a blocchi del modem integrato nel modulo MC1321X

Esso ha due differenti modalità di trasferimento dati:

  1. Modalità a pacchetto, in cui i dati sono bufferizzati nella RAM interna al modem.
  2. Modalità streaming, in cui si ha l’eleborazione word-by-word.

La Tabella 3 mostra la struttura tipica del pacchetto di un modem 802.15.4.

Tabella 3. Struttura del pacchetto dati utilizzato dal modem ZigBee per trasmettere in modalità Packet

Tabella 3: struttura del pacchetto dati utilizzato dal modem ZigBee per trasmettere in modalità Packet

È supportato un payload fino a 125byte. Inoltre, sono aggiunti 4byte di preambolo (per la sincronizzazione dei dati), un byte SFD (Start of Frame Delimiter) ed un byte che indica la lunghezza del frame, FLI (Frame Length Indicator). Per il controllo degli errori è inserito, in coda, un campo di 2byte, FCS (Frame Check Sequence), calcolato sulla base dei precedenti byte del pacchetto. Nel percorso di ricezione del modem, il segnale RF è convertito in un segnale IF (Intermediate Frequency) di tipo I&Q (In-phase and Quadrature), tramite due stadi di conversione (mixer a 65MHz e a 1MHz). A questo punto il segnale IF passa attraverso i blocchi DCD (Differential Chip Detection) e di correlazione per demodulare la codifica  DSSS (Direct Sequenze Spread Spectrum).

Ottenuti i simboli, sono analizzati i vari campi del pacchetto dati. In Packet Mode, i dati sono memorizzati in RAM e processati come un unico pacchetto. La MCU è informata del suo arrivo tramite interrupt dell’interfaccia  SPI. Se invece si usa la Streaming Mode la MCU è informata, tramite interrupt, dell’arrivo di ogni word. Sul ramo di ricezione è presente anche il blocco CCA (Clear Channel Assessment) che stima la potenza ricevuta per comandare di conseguenza un amplificatore a controllo automatico del guadagno  (AGC). Tale blocco  è fondamentale per rispettare le maschere di potenza richieste dallo standard. La Figura 4 riporta il grafico della potenza rilevata a valle dell’amplificatore a guadagno automatico in funzione di quella ricevuta.

 

Figura 6. Potenza ricevuta utilizzando il modulo CCA del modem ZigBee

Figura 4: potenza ricevuta utilizzando il modulo CCA del modem ZigBee

Sono, inoltre, indicati i limiti della maschera previsti dello standard IEEE 802.15.4. Il percorso di trasmissione dei dati ha origine dal microcontrollore, i cui  dati  sono inviati tramite SPI nella RAM del modem. Quest’ultimo procede quindi alla modulazione ed invio dei dati; successivamente informa la MCU (attraverso interrupt) che l’intero pacchetto è stato inviato. Il calcolo  del campo  FCS è effettuato  in hardware, per velocizzare il processo di comunicazione ed è del tutto trasparente al programmatore. Un aspetto fondamentale della tecnologia ZigBee è il risparmio delle batterie. Si dovrebbe arrivare a tempi di durata dell’ordine degli anni. Per raggiungere questo obiettivo Freescale/NXP ha previsto diverse modalità di funzionamento del modem, elencate e descritte in Tabella 4.

Tabella 4. Definizione delle modalità del modem e tempi di transizione da/a modalità Idle

Tabella 4: definizione delle modalità del modem e tempi di transizione da/a modalità Idle

Sistema di clocking

Le caratteristiche del sistema di clock del modulo MC1321X sono di seguito riportate:

  • Sono previsti dei pin per deri vare il clock della CPU dall’esterno.
  • Sono previsti dei pin per un quarzo a 16MHz come sorgente di clock del modem.
  • La frequenza del modem può essere regolata via firmware per rispettare le stringenti tolleranze previste della specifiche (la variazione del clock ammessa è, infatti, di ±40ppm).
  • Il modem presenta un pin (CLKO) per fornire un segnale di clock (pr ogrammabile) all’esterno.

Queste considerazioni hanno come diretta conseguenza il fatto che è possibile far uso di  un  singolo  sistema di clock, secondo quanto illustrato in Figura 5.

Figura 7. Configurazione per utilizzare un singolo clock per l’intero modulo MC1321X

Figura 5: configurazione per utilizzare un singolo clock per l’intero modulo MC1321X

È interessante osservare come sia semplice regolare la frequenza del clock tramite il registro xtal_trim[7:0], secondo il grafico in Figura 6.

Figura 8. Sistema di regolazione fine della frequenza di clock del modem per restare nei limiti dell’offset previsto dallo standard di ±40ppm

Figura 6: sistema di regolazione fine della frequenza di clock del modem per restare nei limiti dell’offset previsto dallo standard di ±40ppm

Modalità operative del microcontrollore HCS08

Lo schema a blocchi del microcontrollore integrato nel modulo MC1321X è mostrato in Figura 7.

Figura 9. Schema a blocchi del microcontrollore HCS08 integrato nel modulo MC1321X

Figura 7: schema a blocchi del microcontrollore HCS08 integrato nel modulo MC1321X

Così come il modem, anche la MCU prevede differenti modalità operative per massimizzare le prestazioni dell’intero sistema, soprattutto per l’aspetto low-power. Tali modalità sono:

  • Run. È la modalità normale di funzionamento ed è selezionata quando il pin BKGD/MS è al livello ‘1’, dopo che il micro è stato resettato. In questa modalità la CPU esegue il codice contenuto in ROM, con l’inizio dell’esecuzione  all’indirizzo $FFFE:$FFFF.
  • Wait. Il micro entra in questo stato quando si esegue l’istruzione WAIT. Automaticamente, sono abilitati gli interrupt. Appena si verifica un interrupt la CPU esce dalla stato di attesa e riprende  l’elaborazione  interrotta  prima  dell’istruzione WAIT.
  • Stop1 (prevista, ma non utilizzata in questo modulo).
  • Stop2. Il consumo di potenza in questa modalità è inferiore a quella di wait. Il contenuto della RAM e lo stato dei pin I/O sono preservati.
  • Stop3. In questo stato il master clock è disattivato. Lo stato della RAM e dei registri è conservato. Per uscire da tale stato è necessario effettuare un reset del sistema.

Convertitore analogico-digitale

Il micro HCS08 prevede 8 canali ATD (Analog-To-Digital). Tali canali sono condivisi con le linee I/O della porta B. La risoluzione massima  consentita  è di 10bit con un tempo di conversione di 14ms@2MHz. Lo schema funzionale è riportato in Figura 8.

Figura 11. Schema funzionale del blocco ATD (Analog-To-Digital) del micro HCS08

Figura 8: schema funzionale del blocco ATD (Analog-To-Digital) del micro HCS08

Caratteristiche elettriche e meccaniche

Le caratteristiche massime di funzionamento sono elencate in Tabella 5.

Tabella 5. Condizioni massime operative

Tabella 5: condizioni massime operative

Il pinout del modulo è mostrato, invece, in Figura 9.

Figura 12. Pinout del modulo MC1321X

Figura 9: pinout del modulo MC1321X

 

 

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 17 agosto 2017

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