Платформа Freescale Semiconductor для реализации беспроводных решений ZigBee / 802.15.4 / SMAC

Основная цель
Создание надежных и дешевых устройств для мониторинга и управления на базе беспроводных сетевых решений, основанных на открытом глобальном стандарте.

Области применения ZigBee / 802.15.4
ZigBee
Беспроводное решение, которое работает, просто работает. . .
Управление доступом и освещением
Потребительская Электроника
ТВ & VCR
DVD/CD
Дистанционное управление
Интерактивные игры
Безопасность
ОВК
Управление освещением
Контроль доступа
Освещение и полив
теплиц, газонов, садов
ПК & Периферия
Промышленные
управление и
мониторинг
Управление активами
Контроль процессов
Оптимизация энергопотребления
Индивидуальное медицинское диагностическое оборудование
Автоматизация
Зданий
Безопасность
ОВК
Считывание счетчиков
Управление освещением
Контроль доступа
Мышь
Клавиатура
Джойстик
Диагностика пациента
Оборудование для фитнеса

Реализация беспроводных соединений ZigBee/802.15.4
на базе платформы Freescale Semiconductor
ZigBee
( <60K )
HCS08
GT60
MC13193
802.15.4 PHY
802.15.4 MAC
Сетевой уровень ZigBee
Простое
Беспроводное Соединение
< 2K Flash
HCS08
GT32(16)
MC13192/1
802.15.4 / PHY Layers
SMAC
HCS08
GT60/32
MC13192
802.15.4 PHY
802.15.4 MAC
802.15.4 MAC
( <32K )
(стек конечного устройства <4K)
Подуровень Поддержки Приложений
….
P1
P31
Тип устройства
ZigBee

MC13193 + GT60
802.15.4 MAC
Z-Stack сетевой уровень (<60KB), набор инструментария Z-Tools Топологии: «звезда», многоячейковая,
кластерное дерево
Полное соответствие протоколу ZigBee
MC13192 + GT32/60
802.15.4 MAC (Объектный код <32KB)
SMAC
Соединения типа: точка-точка, топологии «звезда» и древовидная
Оригинальные решения или в соответствии со стандартом
IEEE 802.15.4
MC13191/2 + GT16/32
Простое беспроводное соединение
Исходный код SMAC (<2.5KB) – распространяется бесплатно
Соединения типа: точка-точка, топология «звезда»
Отдельные решения
Варианты топологий сетей ZigBee/802.15.4 на базе платформы компании Freescale Semiconductor

Набор беспроводных решений на базе
платформы компании Freescale Semiconductor
Класс беспроводных решений:
Простое беспроводное решение на базе SMAC
Беспроводное решение на базе МАС 802.15.4
Беспроводное решение на базе ZigBee
Тип беспроводного решения
Подключаемое к существующей системе
Встраиваемое в новую систему

Freescale MC13191/2
SMAC
Простое беспроводное решение
на базе SMAC (1)
Freescale SMAC исходный код
Приложение
Power
Management
Analog
Receiver
Voltage
Regulators
Frequency
Generator
Analog
Transmitter
Digital Transceiver
GPIO
SPI
Timers
IRQ
Arbiter
RAM Arbiter
Buffer RAM
Control
Logic
PHY Уровень
Freescale MC9S08GT/GB
или любой другой МК
Источники сигналов

Простое беспроводное решение
на базе SMAC (2)
Преимущества использования отдельного приемопередатчика
Простое в использовании беспроводное соединение
Крайне низкая стоимость решения
Совместим с любым МК
Возможность использования трансиверов МС13191 либо МС13192
Полноценный SPI интерфейс к МК
Дополнительные возможности расширения зоны покрытия за счет внешних PA/LNA
Пакетный режим передачи
Необходимый объем памяти: <2.5К
Поддержка топологий типа «точка-точка» и «звезда»
Freescale предоставляет:
Исходный код SMAC с возможностью использования на любом МК
Примеры простых приложений (схемы, описания)
Reference Design (Gerber) антенн и согласующих цепей
Различные конфигурации антенн
Макетная плата

Конфигурация простого соединения типа «точка-точка»
Размер кода Simple Media Access Controller (SMAC): <2KB
Объем сетевого уровня стека: 0KB
10 Байт RAM
SMAC код (НЕ совместим с 802.15.4/ZigBee)
SMAC – для любого МК с SPI
Приложения Code Total
End points:
Remote controls 1KB + data 3KB + data
intelligent toys 2-3KB 4-5KB
Mice 1-2KB 3-4KB
Keyboards 1-2KB 3-4KB
Joysticks 1-2KB 3-4KB
Diagnostics 2-10KB 4-12KB
Конфигурация простого соединения
типа «Звезда»
Размер кода Simple Media Access Controller (SMAC): <2KB
Объем сетевого уровня стека: 1-6KB
Приложения Code Total
End Points 1-10KB 3-12KB
PC Peripherals, medical monitors, security systems, lighting control, remote controls, metering, diagnostics, automotive
Routers
Star 1-10KB 4-18KB
USB Gateways 20-40KB 3-48KB
Ethernet Gateways 40-60KB 43-68KB
Notes:
Размер кода End point: SMAC + Application
Размер кода Routers: SMAC + Network + Application
Простое беспроводное решение
на базе SMAC (3)

Freescale MC13192
802.15.4 MAC Уровень
Беспроводное решение
на базе MAC 802.15.4 (1)
Freescale MAC D18 802.15.4 программное обеспечение
Приложение /
Сетевой уровень NWK
Power
Management
Analog
Receiver
Voltage
Regulators
Frequency
Generator
Analog
Transmitter
Digital Transceiver
GPIO
SPI
Timers
IRQ
Arbiter
RAM Arbiter
Buffer RAM
Control
Logic
PHY Уровень
Freescale MC9S08GT/GB
Источники сигналов

Преимущества беспроводного решения на базе МАС 802.15.4
Минимум изменений при подключении к существующей системе
Упрощенный переход к однокристальному решению (RF+MAC)
Использование трансиверов МС13192, полностью совместимых со стандартом IEEE 802.15.4
Полноценный SPI интерфейс к HCS08 МК
Дополнительные возможности расширения зоны покрытия за счет внешних PA/LNA
Пакетный и потоковый режим передачи
Организация сетевых топологий типа «точка-точка», «звезда», «кластерное дерево», сети с сигнальными пакетами, AES 128-битное шифрование, механизм доступа CSMA-CA
Позволяет создовать сети с топологией «многоячейковая сеть», возможность создания собственных многоячейковых сетей
Freescale предоставляет:
Бесплатное программное обеспечение D18 MAC 802.15.4
Примеры простых приложений (схемы, описания)
Reference Design (Gerber) антенн и согласующих цепей
Различные конфигурации антенн
Макетная плата
Беспроводное решение
на базе MAC 802.15.4 (2)

Беспроводное решение
на базе MAC 802.15.4 (3)
Конфигурация соединения типа «точка-точка», «Звезда», «кластерное дерево»
Размер кода IEEE 802.15.4 Media Access Controller (MAC): 20-25KB
Объем сетевого уровня стека: 5-15KB
Приложения Code Total
End Points 1-20KB 21-35KB
Metering, security systems, industrial automation, patient monitoring, HVAC, asset management, access control, energy management
Routers 1-20KB 27-50KB
Network routers
Coordinators 1-75KB 26-115KB
Manages and monitors network, could also be gateway

Freescale MC13193
ZigBee
Беспроводное решение
на базе ZigBee (1)
Программное обеспечение Freescale MAC D18 802.15.4
Профили приложений:
1...31
Power
Management
Analog
Receiver
Voltage
Regulators
Frequency
Generator
Analog
Transmitter
Digital Transceiver
GPIO
SPI
Timers
IRQ
Arbiter
RAM Arbiter
Buffer RAM
Control
Logic
PHY Уровень
Freescale MC9S08GT/GB
Figure8 Wireless Z-Stack
NWK Уровень
Figure8 Wireless Z-Stack
Подуровень поддержки приложений
Figure8 Wireless Z-Stack
Тип ZigBee устройства
Уровень приложения
Источники сигналов

Беспроводное решение
на базе ZigBee (2)
Преимущества беспроводного решения на базе ZigBee
Полностью законченное и наиболее доступное решение от компании Freescale Semiconductor: МК + RF + Software
Использование трансиверов МС13193, полностью совместимых со стандартом IEEE 802.15.4 и позволяющих создавать ZigBee – совместимые приложения
Включает протоколы 802.15.4 PHY/MAC и Z-Stack с профилями устройств для обеспечения совместимости с другими ZigBee устройствами
Организация сетевых топологий типа «точка-точка», «звезда», «кластерное дерево», «многоячейковая сеть»
Платформа с наиболее низким суммарным энергопотреблением (МК+RF)
Минимум изменений при подключении к существующей системе, совместимо с любым МК на стороне приложения
Дополнительные возможности расширения зоны покрытия за счет внешних PA/LNA
Freescale предоставляет:
Бесплатное программное обеспечение D18 MAC 802.15.4
Примеры простых приложений (схемы, описания), reference design (Gerber) антенн и согласующих цепей, различные конфигурации антенн
Макетная плата
Инструментарий разработки ZigBee приложений
Программное обеспечение Z-Stack (Figure8 Wireless)

Беспроводное решение
на базе ZigBee (3)
Конфигурация ZigBee соединений
Размер кода IEEE 802.15.4 Media Access Controller (MAC): 18-25KB
Объем сетевого уровня стека: 8-20KB
Объем уровней безопасности: 5-10KB
Приложения Code Total
End Points 1-15KB 32-70KB
Remote controls, HVAC, home automation, industrial automation and control, preventive maintenance, access control, asset management, energy management
Routers 1-20KB 32-75KB
ZigBee network routers
Coordinators 1-100KB 26-155KB
Manages and monitors ZigBee network, could also be gateway

Полностью законченное ZigBee/802.15.4
решение от компании Freescale Semiconductor
Полный набор аппаратных средств для реализации платформы ZigBee / 802.15.4
MC13193/2/1 2.4GHz - QFN32 5x5
8-битные МК: MC68HCS908GT60/32 или MC68HCS908GB60/32
Полный набор программного обеспечения
IEEE 802.15.4 PHY Уровень
IEEE 802.15.4 MAC Уровень
ZigBee: Сетевой Уровень и Уровень Приложений
Полный набор инструментария
Metrowerks CodeWarrior для МК S08
Z-Tool и Z-Stack для Приложений ZigBee
Конфигуратор сети
Набор готовых схемотехнических решений для каждой беспроводной платформы
Набор разнообразных вариантов антенны (схемотехника согласующих цепей, Gerber файлы разводки печатных антенн совместно с цепями согласования)
S08 8-бит МК
SPI
Приложение заказчика
ZigBee Сеть и
Профиль устройств
IEEE 802.15.4 MAC/PHY
MC13193/2/1 RFIC
Средства
разработки

Freescale Semiconductor Confidential Proprietary. Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004
Аппаратные средства беспроводной платформы ZigBee / 802.15.4 компании Freescale Semiconductor
Slide

Многофункциональный RF приемопередатчик на одном кристале
Два способа передачи данных:
пакетная передача
потоковая передача
Поддержка сетевых топологий:
многоячейковая сеть, кластерное дерево (МС13192/3)
Звезда
точка-точка
Частичное (МС13191) и полное соответствие стандарту IEEE 802.15.4 (MC13192/3)
Рабочий частотный диапазон: 2.4 ГГц
Распространение: Метод прямой последовательности на основе несущей с расширенным спектром (Direct Sequence Spread Spectrum DSSS), нет перескоков частоты
Модуляция: Квадратичная фазовая манипуляция со смещением O-QPSK, 16 каналов с шагом 5 МГц (2 МГц – для МС13191)
Скорость передачи: 250 кбит/сек
Настраиваемая выходная мощность: от -30 до 3.6 dBm
4-проводной SPI интерфейс с МК (до 8 МГц)
Оптимизирован для низкопотребляющих приложений с напряжением питания от 2 до 3.4 В, различные энергосберегающие режимы (потребление: от 1мкА до 40мА), встроенный регулятор напряжения
Уже в продаже
Основные характеристики MC13193/2/1

Serial
Peripheral
Interface
Корпус: 32 QFN
Размеры: 5X5 mm
Полное кодирование/декодирование сигналов с расширенным спектром в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4
Совместим с HCS08 МК и датчиками компании Freescale
Чувствительность приемника -92 dBm @ 1% PER
Настраиваемая выходная мощностьот 3.6 dBm до -30 dBm
Четыре блока по 64Kбайт памяти данных ОЗУ
Энергосберегающие режимы с потреблением ниже 1 мкА
Настраиваемая частота тактирования внешнего МК
Потоковый и пакетный режимы передачи данных
Модуль обработки событий
Четыре/два 16-Bit таймера общего назначения
Простой 4-х проводной SPI интерфейс с МК
Определение качества связи и уровня напряженности поля
Увеличение дальности действия за счет внешних PA/LNA усилителя
Аппаратная реализация преамбулы, CRC, SFD
7 портов ввода/вывода общего назначения
Sigma
Delta
Synthesizer
VCO
Quad Gen
MC13193/2/1
2.4 GHz
Приемо-
передатчик
PMA
Packet Pre-
processing
Timing
Recovery
Mixers &
Amplifiers
Reference
Oscillator
Differential
Chip Detect
Transmitter
PA
PN Code
Generator
4 16-bit
Timers
Phase
Modulator
AGC
Sequence
Manager
Receiver
Front End
4X64K
Block
RAM
Clock
Generator
Transmit
Logic
Decimator/
Normalization
MC13193/2/1

Сравнение микросхем радиомодемов МС13191 и МС13192/3 компании Freescale Semiconductor

Энергосберегающие режимы
радиомодемов МС13193/2/1

Диаграмма состояний

Архитектура микроконтроллеров семейства HCS08
IIP Bus Interface
HCS08 CPU
16-bit Timer/PWM
ICG
Vreg 3.6V to 1.8V
BDM/DBG
Keyboard Interrupts
GPIO
LVR
20MHZ Bus
50ns min instruction cycle
Up to 8-ch TPM that supports input capture, output compare, or buffered PWM on each channel
Low Voltage Reset
Up to 56 I/O with s/w programmable pull-ups
8-bit KBI port
Background Debug Mode
Internal Clock Generator - no external clock required
SPI
Synchronous Serial Communication
On-chip voltage regulator
64 lead 10x10mm LQFP, 44 lead 7x7mm QFP, 42 SDIP
First HCS08 Devices: MC9S08GB60, GB32, GT60, GT32, GT16
Development Tools
M68DEMO908GB60
M68EVB908GB60
60K/32K/16K FLASH
4K/2K/1K RAM
Secure FLASH with self-timed programming
Large RAM Array
ADC
8-ch 10-bit Analog to Digital Converter
SCI
SCI
2 Asynchronous Serial I/O Ports
I2C
I2C Multi-master Serial Communication

Спроектированы с учетом требований приложений с автономным питанием
Высокая производительность, частота внутренней шины 20 МГц
Разнообразие режимов энергопотребления с крайне низкими токами потребления (<20нА при Т=250С в режиме Stop)
Работа при низких напряжениях питания от 1.8В
Объем Flash-памяти 16...60 кБ
Широкий выбор периферийных модулей для создания как недорогих конечных устройств, так и сложных систем
SPI интерфейсы для подключения трансиверов семейства 802.15.4/ZigBee
BDM – интерфейс для внутрисхемного программирования и отладки
Уже в продаже
Особенности микроконтроллеров серии HCS08 для применения в приложениях ZigBee

Freescale Semiconductor Confidential Proprietary. Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc.
All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2004
Отладочные средства
ZigBee / 802.15.4
компании
Freescale Semiconductor
Slide

Отладочные комплекты Zigbee

Отладочный комплект
Application Reference Design (ARD)
Свойства:
∙ Крайне компактная радиочасть платы
∙ Питается от 2-х батарей типа 2-AA или 2-AAA, или от сетевого источника питанив.
∙ BDM интерфейс для программирования и отладки.
∙ 4 тактовых кнопки (клавиатура прерываний), кнопка сброса.
∙ 4 светодиода.
∙ UART/RS-232
∙ Печатная антенна на плате.
∙ Один кварц 16MHz.
∙ Выводы МК доступны на разъеме 2x4.
∙ Минимум внешних компонентов.
Двухслойная демо – плата имеет компактные размеры, содержит HCS908GT60 МК, приемопередатчик MC13192, интерфейс UART/RS-232 и всю необходимую обвязку. Плата может программироваться через BDM интерфейс, использует один кварц 16MHz для тактирования МК и MC13192.
Состав:
2 платы ARD (MC13192, HCS08GT32, антенна – диполь, Gerber - файлы)
Исходный код SMAC с примерами
Документация

Отладочный комплект
MC13192 Developer’s Starter Kit
Состав комплекта
2 SARD boards
MC13192
MC9S08GT60
Датчик ускорения X,Y 1.5g MMA6261Q
Датчик ускорения Z 1.5g MMA1260D
Двойная печатная антенна
BDM разъем
RS232
4 светодиода, 4 кнопки
2 9V батареи
1 COM/RS232 кабель
Футболка
Игрушка в виде сетевой модели
Документация на CD, SMAC, D18 802.15.4 MAC
Includes Metrowerks CodeWarrior™ Development Studio for HCS08 Special Edition
Пластиковый контейнер
Рекламные буклеты и описание демонстрации

Отладочный комплект
M68DEMO908GB60 Demonstration Board
Отладочная плата с 60K Flash MC9S08GB60 МК, двумя последовательными портами DB9 RS232, кнопки, светодиоды, разъем, дублирующий выводы МК
Питание от двух батарей типа «АА» либо от внешнего источника питания
Демонстрационные программы по работе с АЦП, таймером, PWM и обработкой прерываний
CodeWarrior Development Suite for HCS08, Special Edition
Программирование и отладка с помощью CodeWarrior Development Studio for HCS08, Special Edition, через последовательный порт DB9 RS232 или BDM – адаптер (опция)

Отладочный комплект
M68EVB908GB60: MC9S08GB60 EVB
Отладочная плата с 60K Flash MC9S08GB60 МК, ЖКИ, два последовательных порта DB9 RS232, кнопки, светодиоды, разъем, дублирующий выводы МК
Демонстрационные программы по работе с АЦП, таймером, PWM и обработкой прерываний
CodeWarrior Development Suite for HCS08, Special Edition
Программирование и отладка с помощью CodeWarrior Development Studio for HCS08, Special Edition, через последовательный порт DB9 RS232 или BDM – адаптер (опция)
Универсальное питание

Отладочный комплект
MC13192 RF Daughter Card Kit
MC13192 RF Daughter Card
MC13192 2.4ГГц
802.15.4 PHY совместима
Ипользование сдвоенных антенн
Идеальна для всестороннего изучения особенностей стандарта 802.15.4
Подключается напрямую к отладочным платам M68EVB908GB60 Development Kit и M68DEMO908GB60 Demonstration Board
В набор входят 1 отладочная дочерняя плата и 2 платы антенн
Совместима со стандартом IEEE 802.15.4/ZigBee
Минимум внешних компонентов

Отладочный комплект
MC13193 Evaluation Kit
Набор разработчика ZigBee/802.15.4, включающий все необходимые программные и аппаратные средства отладки
Содержит 5 плат с 2.4ГГц радиотрансиверами, построенных на базе ZigBee платформы компании Freescale
Печатная F-антенна, дополнительный LNA, SMA разъем для подключения внешней антенны на платах EVB
Встроенные датчики X,Y,Z ускорений на платах SARD
BDM-порт для перепрограммирования и отладки
Порт RS-232 для перепрограммирования и обмена
Freescale’s 802.15.4 сетевой Sniffer
Сетевые источники питания, батареи и кабели
Metrowerks CodeWarrier™ Development Studio for HCS08 Special Edition
Simple MAC исходный код и примеры
802.15.4 ПО и Test Tools
Figure 8 Wireless ZigBee стек протоколов (оценочная версия ), утилиты и примеры (Z-Tools)

Отладочная плата EVK PCB (1)

Отладочная плата EVK PCB (2)
USB / Power connector
Ref Layout Module
SMA antenna connector
On / Off
Switch and LED
4 Buttons and 4 LED’s
RS232
Connector
PCB antenna
MCU
HC08
Abel IC
50 mm
15 mm
20 mm
100 mm
BDM Connector

Аппаратные средства разработки MC13191/2/3
Developer’s Starter Kit (DSK)
SMAC and IEEE 802.15.4 network development
2 Sensor Applications Reference Boards (SARD)
Suggested resale: $199
Orderable part number: 13192DSK-A00
MCU M68DEMO908GB60 : Demonstration Board
Suggested resale: $49
Orderable part number: M68DEMO908GB60
MCU M68EVB908GB60 : MC9S08GB60 Evaluation Board (EVB)
Suggested resale: $249.10
Orderable part number: M68EVB908GB60
RF Daughter Card
Plug-in directly to M68EVB908GB60 Development Kit or M68DEMO908GB60 Demonstration Board
1 per kit
Suggested resale: $150
Orderable part number: 13192RFC-A00
BDM Multilink
USB adaptor/cable for programming and debugging (Computer <-> MCU Board)
Suggested resale: $198.80
Orderable part number: USBMULTILINKS08
Evaluation Kit (EVK)
ZigBee network development system
3 EVB boards, 2 SARD boards
802.15.4 packet sniffer
D18 MAC 802.15.4 SW
PC tools, Demo Apps., documentation, cables, etc.
USB BDM cable
Suggested resale: $1499
Orderable part number: 13193EVK-A00

Документация
Brochures
ZigBee Brochure
MC1319x Family Brochure
Fact Sheets/Ref. Designs
Developer’s Starter Kit
EVK
RF Daughtercard
MC13191
MC13192
Datasheets
MC13191
MC13192
Free Software libraries
C Source code for SMAC
Libraries for IEEE 802.15.4 MAC (D18 MAC)
Reference Manuals
MC13191
MC13192
IEEE 802.15.4 MAC (D18 MAC)
Users Guides
SARD
EVK
RF Daughtercard
SMAC
Applications Notes
SMAC
Antenna Design Examples (Dipole, Chip + Balun, “C”, 180°, F + Balun, Omni-directional, Loop/Folded Dipole)
ARD, SARD App. Notes и многое другое
Вся необходимая документация доступна на сайте: www.freescale.com/zigbee
Bootloader (Freescale Test Tool)
Инструментарий для загрузки ПО (S19) через UART/RS232 интерфейс.
Инструментарий для создания собственных приложений с измененными параметрами
(например MAC adr., Xtal freq, GPIO, и т.д.), описание допустимых изменений параметров
Документация по использованию загрузчика в своей системе

Дополнительная информация
HCS08 MCU’s
www.freescale.com
HCS08 MCU development tools (Codewarrior 3.0/3.1)
www.metrowerks.com
ZigBee network stack partner:
http://www.figure8wireless.com
ZigBee standardization:
www.zigbee.org
Freescale ZigBee portal:
http://www.freescale.com/zigbee