基于ZigBee技术的无线数据收发器MAC层协议研究与硬件设计

摘要

Zigbee是一种低速、低功耗、低成本的短距离无线网络技术，主要面向自动化和远程控制的应用。IEEE802.15.4是为实现这一目标而专门设计的标准。本文研究了无线个域网IEEE802.15.4媒质接入控制(MAC，MediumAccessControl)层协议，主要针对MAC子层的业务规范和MAC子层的功能结构，根据ZigBee设备的组成结构提出MAC层硬件电路实现方案，并最终制成了硬件电路板。 首先，通过对IEEE802.15.4无线个域网的组成元素及相关概念进行描述，建立了无线个域网的基本框架。按照MAC层数据业务(MACdataservice)和MAC层管理业务(MACmanagementservice)阐述了IEEE802.15.4所提供的各种业务类型、业务之间的关系、以及支持业务的消息内容。 其次，对MAC子层的功能结构进行了研究。分析了MAC子层的总体功能结构，着重讨论了信道接入机制、数据传输模式、帧结构和鲁棒性(Robustness)。对开始并维持PAN的过程、信标的生成、关联与解关联、同步等内容也进行了描述。 接着分析了ZigBee设备组成结构及硬件设计思路。在介绍TIDSPTMS320VC5402和TIDSP集成开发环境CCS的基础上，提出了基于DSP的ZigBee收发设备的MAC层实现方案。给出了硬件设计的整体框架，具体介绍了TMS320VC5402处理器模块、电源模块、时钟模块、存储器模块以及各个接口模块的电路原理图。 最后讨论了MAC层PCB板的制作及调试方案设计。介绍了从原理图到PCB板的设计的一般流程及PCB设计中应遵守的准则，随后展示了MAC层PCB板的布局、层堆栈结构和布线效果，并对电路的调试方案进行了讨论。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1短距离无线与移动通信网络简介

1.2无线个域网(WPAN)

1.2.1蓝牙(Bluetooth)

1.2.2 UWB

1.2.3 ZigBee

1.3 ZigBee与IEEE802.1 5.4标准

1.3.1 ZigBee技术概述

1.3.2 ZigBee应用实例

1.4 IEEE802.15.4协议介绍

1.4.1物理层(PHY)规范

1.4.2媒体接入控制层(MAC)规范

1.5论文主要内容

第二章IEEE802.15.4无线个域网业务综述

2.1 IEEE802.15.4无线个域网的特点

2.2 IEEE802.15.4组成和网络结构

2.3 IEEE802.15.4 MAC子层业务组成

2.3.1 MAC数据业务

2.3.2 MAC管理业务

2.4小节

第三章IEEE802.15.4 MAC层功能结构

3.1信道接入机制

3.1.1超帧结构

3.1.2 IFS

3.2数据传输模式

3.2.1数据由设备发送给协调者

3.2.2数据由协调者发送给设备

3.2.3对等设备间的数据传输

3.3 帧结构(Frame Structure)

3.3.1信标帧(Beacon Frame)

3.3.2数据帧(Data Frame)

3.3.3确认帧(Acknowledgment Frame)

3.3.4 MAC命令帧(MAC command frame)

3.4鲁棒性(Robustness)

3.4.1 CSMA-CA算法

3.4.2帧确认(Frame acknowledgment)

3.5开始并维持PAN

3.6信标生成

3.7关联与解关联

3.8同步

3.9发送，接收和确认

3.10 GTS分配和管理

3.11小节

第四章ZigBee设备的硬件实现方案

4.1 ZigBee设备结构简介

4.1.1ZigBee协议栈

4.1.2 ZigBee设备结构的研究内容

4.1.3 ZigBee设备的总体设计思路

4.2 DSP集成开发

4.2.1 DSP应用系统的开发过程

4.2.2基于CCS开发DSP软件

4.2.3 C和汇编混合编程

4.3 DSP处理器TMS320VC5402

4.4 PHY和MAC层硬件实现

4.4.1 PHY层的硬件实现方案

4.4.2 MAC层的硬件实现方案

4.4小节

第五章ZigBee设备的MAC层硬件电路设计

5.1 MAC层硬件电路整体结构

5.2硬件电路具体描述

5.2.1 TMS320VC5402及其系统总线

5.2.2 TMS320VC5402的I/O时序

5.2.2电源电路

5.2.3复位电路

5.2.4时钟电路

5.2.5 FLASH存储电路

5.2.6 SDRAM存储电路

5.2.7单片机和串口电路

5.2.8逻辑控制电路

5.2.9以太网接口电路

5.2.10 USB接口电路

5.3小节

第六章MAC层PCB设计与调试方案

6.1 PCB设计流程

6.2 MAC层PCB的实现

6.2.1布局的考虑

6.2.2层堆栈设置

6.2.3布线的考虑

6.3硬件平台调试方案

6.3.1初期调试计划

6.3.2后期调试计划

6.4小节

论文工作总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果