符合RF4CE标准简化远程控制设计的解决方案

基于IEEE 802.15.4堆栈，ZigBee RF4CE规范为实现家庭自动化应用所需的短程双向通信子系统提供了行业标准。 ZigBee RF4CE旨在简化终端应用的设计，可作为建立在802.15.4标准PHY/MAC层之上的网络层，使用802.15.4 2.4 GHz频段内的信道子集。对于工程师而言，由于Atmel，Freescale Semiconductor，Microchip Technology，STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商提供的符合RF4CE标准的解决方案，构建灵活的无线远程控制解决方案已大大简化。

RF4CE应用程序主要包括两种类型的设备：主机或“目标”设备（如电视或DVR）和远程控制设备（如手持式点击器或家庭自动化接口）（图1）。为了帮助简化这些要求苛刻的低功耗子系统的设计，半导体制造商将节能设备与相关软件库相结合，以提供全面的RF4CE解决方案。

图1：ZigBee RF4CE应用程序包括远程和主机组件，这些组件使用RF4CE协议在家庭自动化个人区域网络中传输双向数据以进行控制和状态（PAN ）。 （德州仪器公司提供。）

针对远程和目标端设计，德州仪器CC2533片上系统（SoC）器件为ZigBee RF4CE应用提供单芯片解决方案。除了低功耗8051 MCU内核外，CC2533还包括一个完整的2.4 GHz iEEE 802.15.4兼容收发器，能够提供高达4.5 dBm的输出功率和7 dBm的升压模式传输。 CC2533提供多种配置，具有高达96 KB的闪存和6 KB的RAM，只需很少的外部组件即可实现全功能的远程控制设计（图2）。

图2：TI CC2533在单个器件上集成了完整的ZigBee RF4CE解决方案，可显着减少无线遥控应用的器件数量。可选的晶体振荡器通常仅在使用非常低的睡眠电流但需要准确的唤醒时间的应用中才需要。 （德州仪器公司提供。）

该器件提供各种低功耗模式，以确保低占空比应用中的低功耗工作。例如，CC2533在内部睡眠定时器运行的低功耗模式下仅需1μA，在低功耗模式下仅需0.5μA，器件仅在响应外部中断时才会唤醒。

TI提供器件及其符合ZigBee RF4CE标准的协议栈，参考设计和示例软件。工程师还可以使用用于CC2533的TI CC2533DK-RF4CE-BA RF4CE开发套件评估器件及其软件。

飞思卡尔半导体MC13213是一款单芯片ZigBee RF4CE解决方案，集成了符合802.15.4标准的收发器，HCS08 MCU内核，60 KB闪存和4 KB RAM。收发器包括低噪声放大器（LNA），带内部压控振荡器的功率放大器（PA），集成发送/接收开关，片上电源调节以及全扩频编码和解码。该器件支持多种天线配置，包括简化的单天线选项，可实现极低的外部元件数量。

在此单天线模式下，设备的内部发送/接收开关使板载LNA可用于接收操作，板载PA可用于发送功能。此处，平衡 - 不平衡转换器将单端天线信号转换为连接到RFIN_x或PAO_x引脚的差分信号，而CT_Bias引脚则为平衡 - 不平衡转换器提供适当的偏置点（图3）。

图3：飞思卡尔MC13213通过支持工程师可以选择的多项操作来帮助简化设计，从而减少部件数量。这里，器件引脚配置为支持单天线设计。 （由飞思卡尔半导体公司提供。）

飞思卡尔的MC1322x系列（如MC13224V）提供更大的容量和性能。 MC1322x器件基于ARM7TDMI-S 32位内核，支持80 Kbyte ROM用于软件和128 Kbyte闪存，镜像到RAM中，可实现更高效的应用软件设计。该器件还具有高灵活性，可与RF无线电接口配合使用，可独立运行或与外部设备配合使用（图4）。工程师可以选择将该器件用作单芯片解决方案，该解决方案利用片内巴伦，TX/RX开关，PA和LNA。 RF无线电接口还允许使用外部PA和外部LNA，因此工程师可以将器件与外部组件结合使用，以满足需要更大信号范围的应用。

图4：除了片上RF无线电元件外，MC1322x还可以配置为使用外部功率放大器和外部低噪声放大器来支持扩展范围基于RF4CE的设计。 （由飞思卡尔半导体公司提供。）

飞思卡尔将其硅解决方案与其实施ZigBee RF4CE协议的BeeStack Consumer堆栈相结合。 BeeStack软件需要大约32 KB的内存，并提供两种开发选项：工程师可以通过嵌入式处理器上运行的API访问堆栈，或使用串行命令集以黑盒模式访问堆栈。

对于STM32W108C8 SoC，STMicroelectronics将ARM Cortex-M3处理器与Thumb-2指令集结合在一起，为SoC的片上RF无线电提供强大的数字处理补充。 ST将MAC功能的元素折叠到硬件中，以确保基于该部分的设计可以轻松满足IEEE 802.15.4-2003标准强加的严格时序要求。此外，ST设计的收发器可提供超过标准动态范围要求15 dB的RF性能。同时，该器件具有多种先进的电源管理功能，有助于确保较长的电池寿命。

除了这些单芯片解决方案外，工程师还可以找到RF4CE平台，使其能够混合和匹配收发器和处理器功能，以满足功能和成本的特定要求。例如，Microchip将其ZigBee RF4CE的实现分为两对芯片--MRF24J40 2.4 GHz IEEE 802.15.4收发器及其PIC XLP系列超低功耗MCU（图5）。

图5：多芯片解决方案允许工程师使用Microchip MRF24J40收发器等设备单独优化RC4CE堆栈的上层和下层，以及Microchip系列PIC XLP MCU的理想成员。 （由Microchip Technology提供。）

提供PHY/MAC通信功能，MRF24J40将低IF接收器架构与直接转换发送器架构相结合，该架构通过器件的四线SPI，中断，唤醒和复位引脚。 PIC MCU完成具有所需处理能力的堆栈，同时确保最低功耗。例如，PIC24F16 16位MCU系列在看门狗定时器模式下运行时仅需要约350 nA。通过这种方法，Microchip实现了一种高效的无线控制解决方案，需要仅为16 KB的RF4CE堆栈，并针对较长的电池寿命进行了优化。

Atmel将其AT86RF23x收发器芯片与其AVR MCU系列配对，以提供灵活的ZigBee RF4CE解决方案。 AT86RF230和AT86RF231专为ZigBee/IEEE 802.15.4应用而设计，是低功耗2.4 GHz无线电收发器，集成了片内所有RF元件，仅需外部天线，晶体和去耦电容。两款器件均具有-17至3 dBm的可编程输出功率和-101 dBm的接收灵敏度。

ZigBee RF4CE适用于家庭自动化应用，提供灵活的方法来实现非视距控制。为了简化兼容产品的设计，半导体制造商正在提供越来越多的设备，这些设备实现RF4CE协议的单独部分或在芯片上提供完整的解决方案。凭借这些高性能收发器和SoC的可用性，工程师可以选择最有效的设计方案，以提供符合ZigBee RF4CE的功能强大，经济高效的无线遥控产品。