经过一番调试，这个问题是由于内存地址对齐引发的，在LPC2148 ARM7上，如设置OSMemCreate的区块不是2的倍数，可能引发该问题。例如OSMemCreate时，在0×40000520地址开始建立单向链表的时候，无法在0×40000552地址写入下一个freeblock的地址，0×40000584，这个地址实际写到了0×40000550的位置。

这个问题应该是内存对齐的限制引发的。但是暂时不清楚这是编译器还是芯片还是配置的限制。暂时把内存卡的大小调整为2的幂规避。

如果用GPS接收器对某一固定点连续读取数据的话，就可以追踪这一点的运动情况，例如火山在内部岩浆作用下的不断膨胀，或是从南极大陆架上断裂下来的冰山的移动情况。增加接收器的数量（提高精度），用已知精确位置的GPS固定基站的信号作为基准，就可以清晰地捕捉到物体1／10英寸的突然运动，并对其进行实时监测。有了这项技术，科学家们就可以“上天入地”，探索很多我们原来并不十分清楚的动态过程。

香港的青马大桥是世界上最长的悬索桥，全长2200米，主桥跨度达1377米，两座吊塔高206米，距离海面62米。大桥可以承受强烈台风的袭击，桥体摇动距离可以达到几英尺，而疾驰而过的列车也会造成大桥主跨产生上下半米左右的振动。不过大桥的摇动也不能过于剧烈，如果桥身侧摆超过5米，大桥的钢梁和吊索就会像面条一样发生扭曲和弯折。

为了防患于未然，监测青马大桥的工程技术人员采用了GPS传感器阵列来对大桥的三维空间位置进行实时监控。他们在大桥的吊索、桥面和桥塔上安装了14个GPS接收器，这些接收器用长达数公里的光缆相连。这些传感器每秒钟都会向中央主控计算机发送10次各自的空间位置信息。同时在另外两个固定点上安装的GPS传感器也向主控计算机发回数据，主控计算机对数据进行校正以减小其误差。这样就可以把大桥的空间位置精确地显示出来，其水平误差不超过1厘米，垂直误差不超过2厘米。计算机还可以计算出风速和风向，并估算出大桥各个部位的应力和载荷状况，这样维护人员就可以方便地安排修理和维护工作。

科学家们还从来没有实地观察过金星或其他星球上的火山爆发。他们只知道在远古时代那里曾经有过火山爆发，但是对岩浆的流动速度、粘稠度等许多具体情况却无从得知。现在也没有能够在金星表面进行实地勘测的设备。于是科学家们就只能寻找地球上与之相类似的物质进行替代研究，然后把地球表面的物质与卫星照片进行对照，再分析其它星球的卫星照片，以此来分析推断遥远星球的情况。

在观察地球卫星照片的时候，科学家们发现美国新墨西哥州两处长达40到50公里的岩浆流，地理学家给它们起名为Car－rizozo和McCartys。这么长的岩浆流在地球上实属罕见，但在金星上却是很典型的情况。金星上的温度要比地球高得多，岩浆流的长度和存留时间要比地球上更长。

研究人员搜集了有关这两处岩浆流的几千份GPS数据，建立了岩浆流在许多不同地点的精确地形剖面图资料。这些岩浆流经地段的高度、坡度等地形资料能够帮助地质学家们了解岩浆的粘稠度，从而也就能判断出岩浆的成份及其流动的速度。Carrizozo和McCartys这两处岩浆流中间部分的粘稠度较低，而边缘部分粘稠度则较大，所以这两处岩浆流的特点就是中间流速大、不易冷却，边缘流速慢、冷却速度快。GPS数据还显示了凝固的岩浆外壳下隐藏着的奇异现象，其中包括岩浆流中心的一条岩浆管道，这一管道可以使岩浆在长达15公里的距离内保持融化状态。研究人员目前还不知道金星上是否也存在这种岩浆管道，这是一项很吸引人的研究内容。如果没有GPS的高精度测量技术，研究人员或许根本不会去研究这个问题，了解这一切的唯一途径就是亲自深入险地进行观测，但即使研究人员呆在火山爆发的地方亲自观察也未必能有这样的发现。

GPS系统在很多领域都获得了广泛的应用，它的功能现在已经不仅仅局限于为个人提供位置和时间信息了。拥有这项技术，我们向宇宙的真相又迈进了一步。GPS系统的未来无可限量，技术进步带来的梦想也是没有止境的。

看来还是有人不知道在哪里下载IEEE的802族协议文本。IEEE802协议族，由于广泛流行，长了IEEE标准化协会的很大面子。所以IEEE802族协议，是可以在其官方网站上免费下载的。网址是

http://standards.ieee.org/getieee802/

或许朋友们可以在若干个协议文本里搜索到我的名字哦 Wenhao Zhu，呵呵。比如在 802.15.4c协议里。

由于相关许可协议限制，我不能把该协议文本贴在我的博客上，我也建议您不要做。以下是许可协议摘录

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不仅IEEE的这类标准可以下载，ITU的几乎所有标准都可以很容易的从官网上下载到相关文件。

最后建议一下，搜索这些东西，尽量用英语关键词，尽量用Google.com

摘要：ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得人们广泛的关注。完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制订，物理层和媒体访问控制(MAC)层采用IEEE802.15.4标准。IEEE802.15.4物理层简单采用比特到符号映射技术、符号到码片序列转换技术、偏移正交相移键控(OQPSK)调制技术，无须信道编码等复杂算法；MAC层采用载波监听多址-冲突避免技术，支持休眠模式。整个协议的设计使得ZigBee技术具有数据传输速率低、功耗低、成本低等特点，更加适合于工业监控系统、传感器网络、家庭监控系统、安全系统等应用。

关键词：无线传感器网络；ZigBee技术；IEEE 802.15.4协议；物理层；多址接入控制

基金项目：北京市自然科学基金项目(4062023)

几年来，无线与移动通信以前所未有的速度迅猛发展。随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们享受蜂窝移动通信系统带来的便利的同时，对短距离的无线与移动通信又提出了新的需求，使得短距离无线通信异军突起，包括无线局域网、蓝牙技术、移动AdHoc网、超宽带(UWB)以及ZigBee技术等各种热点技术相继出现，均展现出各自巨大的应用潜力。其中，低速率、低功耗、低成本的ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得广泛的关注[1-4]。

ZigBee是短距离通信的一种新兴技术。它使用2.4 GHz波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，ZigBee更简单、功率及费用也更低，能够比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZigBee的应用[5]。

ZigBee的技术特点在于：数据传输速率低，只有10～250 kb/s。功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。成本低。ZigBee数据传输速率低，协议简单，且免收专利费，所以大大降低了成本。

网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备。时延短。通常时延为15～30 ms。安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用先进加密标准-128(AES-128)加密算法。

有效范围小。有效覆盖范围10～75m，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 工作频段灵活。使用频段为2.4 GHz、868 MHz(欧洲)及915 MHz(美国)，均为免执照频段。

1 ZigBee协议

1.1 ZigBee协议框架

ZigBee协议栈由一组子层构成。每层为其上层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。

ZigBee协议栈的体系结构[6]如图1所示。它虽然是基于标准的七层开放式系统互联(OSI)模型，但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义。IEEE802.15.4-2003标准[7]定义了最下面的两层：物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层 (APL)框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制订的应用对象。

相比于常见的无线通信标准，ZigBee协议套件紧凑而简单，具体实现的要求很低。以下是ZigBee协议套件的需求估计：硬件需要8位处理器，如80c51；软件需要32 kB的ROM，最小软件需要4kB的ROM；网络主节点需要更多的RAM以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。

1.2 IPv6与IEEE 802.15.4的结合

Zigbee联盟希望建立一种可连接每个电子设备的无线网。它预言ZigBee将很快成为全球高端的无线技术，到2007年ZigBee节点将达到30亿个。具有几十亿个节点的网络将很快耗尽已不足的IPv4的地址空间。因此IPv6与IEEE

802.15.4结合是传感器网络的发展趋势。IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算，IPv6实际可为整个地球的每平方米面积分配1000多个地址。IPv6在设计过程中，除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其他问题，如端到端IP连接、服务质量(QoS)、安全性、多播、移动性、即插即用等。

1.3 工作频段和速率IEEE 802.15.4工作在工业科学医疗(ISM)频段，定义了两个工作频段，即2.4 GHz频段和868/915 MHz频段。

在IEEE 802.15.4中，总共分配了27个具有3种速率的信道：在2.4 GHz频段有16个速率为250kb/s的信道，在915 MHz频段有10个40 kb/s的信道，在868 MHz频段有1个20 kb/s的信道。

这些信道的中心频率按如下定义(k为信道数)：

     Fc=868.3 MHz，k=0；

     Fc=906 MHz+2(k-1)MHz，

     k=1，2……10；

     Fc=2 405 MHz+5(k-11) MHz，

     k=11，12……26。

一个IEEE802.15.4网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在27个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要250 kb/s速率，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20 kb/s这样的低速率就能满足要求。

2 IEEE 802.15.4物理层

来自IEEE 802.15.4物理层协议数据单元(PPDU)的二进制数据被依次(按字节从低到高)组成4位二进制数据符号，每种数据符号(对应16状态组中的一组)被映射成32位伪噪声码片(CHIP)，以便传输。然后这个连续的伪噪音CHIP序列被调制(采用最小键控方式)到载波上，即采用半正弦脉冲波形的偏移正交相移键控(OQPSK)调制方式。IEEE802.15.4物理层传输格式如图2所示。868/915 MHz频段物理层使用简单的直接序列扩频(DSSS)方法，每个PPDU数据传输位被最大长为15的CHIP序列所扩展(即被多组+1、-1构成的m-序列编码)，然后使用二进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列。不同的数据传输率适用于不同的场合。例如：868/915MHz频段物理层的低速率换取了较好的灵敏度和较大的覆盖面积，从而减少了覆盖给定物理区域所需的节点数。2.4 GHz频段物理层的较高速率适用于较高的数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合。

3 IEEE 802.15.4 MAC层

IEEE 802.15.4 MAC层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。管理服务通过MAC层管理实体(MLME)服务接入点(SAP)访问高层。MAC层数据服务使MAC层协议数据单元(MPDU)的收发可以通过物理层数据服务。IEEE

802.15.4 MAC层的特征有信标管理、信道接入机制、保证时隙(GTS)管理、帧确认、确认帧传输、节点接入和分离。

3.1 超帧结构

低速率的无线个域网允许使用超帧结构。超帧的格式由传感器网络的协调器定义。超帧被分为16个大小相等的时隙，由协调器发送，如图3所示。每个超帧之间由网络信标分隔。信标帧在超帧的第一个时隙被传输。如果协调器不想使用超帧结构，它将会停止信标的传输。信标可用来使接入的设备同步，区分个域网，描述超帧结构。任何想要在竞争接入时段(CAP)通信的设备都要使用有时隙的载波监听多址接入-冲突避免(CSMA-CA)。所有的传输要在下一个信标到来之前结束。

超帧结构有活跃和非活跃两部分。在非活跃部分，协调器将不和网络联系，进入低能模式。

对于低延迟应用或需要特殊带宽的应用来说，网络协调器为它贡献出超帧的活跃部分。这部分叫做GTS。GTS由无竞争时段(CFP)组成，它总是紧跟着CAP，在活跃的超帧尾部，如图4所示。网络协调器可以分配7个GTS，每个GTS可以占用一个以上的时隙。而CAP有充足的时间留给基于竞争的接入的网络设备或想加入网络的设备。所有基于竞争的传输都要在CFP开始前结束，同样，GTS的传输也要确保在下个GTS开始前结束。

3.2 CSMA-CA机制

低速率的无线个人区域网依据网络的结构不同，使用两种信道接入机制。无信标网络使用无时隙的CSMA-CA信道接入机制。每当设备想要传输数据帧或MAC命令时，它将等待随机的一段时间。在随机退避之后，如果信道被检测为空闲，设备将传输数据；如果信道被检测为忙，设备在再次尝试接入信道之前，要重新等待随机的一段时间，确认帧的发送不使用CSMA-CA机制。

有信标网络使用有时隙的CSMA-CA信道接入机制，退避时隙在信标传输的开始排列好。每当设备在竞争接入时段要传输数据时，它需要确定下一个退避时隙的界限，之后等待随机的几个退避时隙。在随机退避之后，如果信道被检测为忙，设备在再次尝试接入信道之前，要重新等待随机的几个退避时隙；如果信道被检测为空闲，设备将在下个退避时隙传输数据。确认帧和信标帧的发送将不需要CSMA-CA机制。

3.3 安全模式

在低速率无线个人区域网络中设备可根据自身需要选择不同的安全模式：无安全模式、访问控制列表(ACL)模式和安全模式。

无安全模式是MAC子层默认的安全模式。处于这种模式下的设备不对接收到的帧进行任何安全检查。当某个设备接收到一个帧时，只检查帧的目的地址。如果目的地址是本设备地址或广播地址，这个帧就会被转发给上层，否则丢弃。在设备被设置为混杂模式(Promiscuous)的情况下，它会向上层转发所有接收到的帧。

访问控制列表模式为通信提供了访问控制服务。高层可以通过设置MAC子层的ACL条目指示MAC子层根据源地址过滤接收到的帧。因此这种方式下MAC子层就没有提供加密保护，高层有必要采取其他机制来保证通信的安全。

安全模式对接收或发送的帧提供全部的4种安全服务：访问控制、数据加密、帧完整性检查和顺序更新。

4 ZigBee网络层

ZigBee网络层将主要考虑采用基于Ad Hoc技术的网络协议，应包含以下功能：

(1)通用的网络层功能：拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含寻址、路由和安全。

(2)同IEEE 802.15.4标准一样，非常省电。

(3)有自组织、自维护功能，可以最大程度减少消费者的开支和维护成本。

ZigBee用于无线传感器网络，由于网络拓扑的多变和形式多样化，应选择适合应用场景的网络层协议。

无线网络拓扑结构一般分为星状网、网状网、混合网(星状＋网状)，如图5所示。而无线传感器网络拓扑结构具有网络节点数目众多，网络结构动态变化纷繁复杂等特点，在此我们主要比较3种基本网络拓扑结构，并选出比较适合大型传感器网络使用的拓扑结构。

基本的星状网拓扑结构(图5(a))是一个单跳(Single-hop)系统，如传统无线网络。基站节点可以是一台PC、个人数字助理(PDA)、专用控制设备、嵌入式网络服务器，或其他与高数据率设备通信的网关，网络中各终端节点也可以不同。依据星状网的特点可以看出，当各个传感器节点距离基站节点比较远，传感器节点分布范围大时，这种拓扑结构是行不通的。因为传感器节点能量有限，如果每个节点都要保证数据正确接收的信噪比(SNR)值，则传感器节点必须以较大功率向基站节点发送数据，能量很快就会耗尽。

网状网拓扑结构是一种多跳的网络系统，网络中的所有无线传感器节点都相同，可以直接互相通信，每一次网络都会选择一条或者多条路由进行多跳传输，将所要传输的数据信息传给基站(图5(b))。网状网的每个传感器节点都有多条路径到达基站节点，因此它的容故障能力较强，而且这种多跳系统以多跳代替了单跳的传输距离，减小了源传感器所需要的发送功率。但是同时由于传感器网络节点数量大，中继节点数目众多，且分布随机分散，因此在网状网中查找多跳路由和进行路由维护和修复(自愈)是非常困难的，同时网络中传感器节点必须一直“监听”网络中某些路径上的信息和变化，以有效地传递数据，这些从另一方面增加了网络的能量损耗，减少了网络寿命。

混合网拓扑结构(图5(c))力求兼具星状网的简洁以及网状网的多跳传输和自愈性等优点。其中分层式的网络结构属于混合网中较为典型的一种，尤其适合节点数量众多的无线传感器网络应用。在分层网中，整个传感器网络形成分层结构。相邻传感器通过由基站节点指定或者自组织等方法形成各个独立的簇，每个簇选出簇首节点，每簇中所包含的传感器节点通过簇首所安排的机制将所收集的数据信息传给簇首，然后由簇首将所接收到的信息进行融合，再转发给基站节点。这种分层式网络中，传感器节点之间不是平等的。这种方法，既通过簇首的数据融合减少了信息冗余度，通过多跳减小了源节点的发送功率，减少了网络的能量消耗，又可以通过簇首的控制减小网络中大部分节点的传输范围，增加带宽复用率，同时使网络节点不必一直保持“监听状态”，减少了网络中路由和数据处理的开销，延长了网络寿命。这种分层簇结构拓扑协议尽管在传统Ad Hoc网络中也有大量的研究，但是传统Ad Hoc网络拓扑结构中的分层网络协议并没有考虑传感器网络中节点数量众多和节点能量及计算能力有限的特点，其协议不能直接利用于无线传感器网络中。因此，研究者在传统AdHoc网络协议的基础上，研究出了旨在针对传感器网络中各种问题的网络拓扑协议，使得拓扑协议针对性和实用性更强，采用这种混合网分层拓扑结构的典型协议有低功耗自适应分簇算法(LEACH)、传感器信息系统中能量高效的数据收集(PEGAGIS)、域值敏感能量高效传感器网络协议(TEEN)[8-9]。

综上所述，不同网络拓扑结构的选择是根据网络中节点与基站的相对位置，以及网络中的无线参数的不同而定的。当网络中基站的位置比较靠近传感器节点，甚至处于传感器节点中间，同时整个网络的分布范围比较小的时候，星形网络有其相应的优势，而网状网与混合式分层网络结构比较适用于基站位置比较远，传感器节点比较分散的情况。可以看到，尽管网状网拓扑结构鲁棒性比较强，但是由于需要清楚地了解各个传感器节点的位置信息，同时路由开销比较大，使得节点构造和网络实现比较复杂，尤其是对于具有移动节点的传感器网络，以上问题就更加突出。因此，为了节省功率，简便实现传感器组网，简化传感器节点，大多数传感器路由研究均基于分层式网络结构。

5 ZigBee应用演示实例

利用ZigBee无线传感器网络，北京邮电大学搭建了环境监测系统。系统以北京邮电大学校园为环境测试对象，随机布置传感器数据采集节点，感知采集校园环境的温度和光强等环境参量的实时变化。采集节点通过微处理器收集数据信息，通过天线发射模块传送数据至传感器网关汇聚节点。网关节点与计算机之间交互通信，通信软件可视化实时显示环境信息。硬件采用Crossbow公司生产的传感器数据采集节点与网关汇聚节点，符合ZigBee工业标准。软件平台采用TinyOS软件编译平台并结合硬件进行演示开发。

6 结束语

IEEE802.15.4协议标准主要用于低速无线个人区域网及无线传感器网络应用，是ZigBee的物理层和MAC层的主要支撑技术。该标准由于采用了简单的物理层和MAC层协议而使得其具有低功耗、低成本等特征，从而使得ZigBee更适合于工业监控、传感器网络、家庭监控等应用。同时，采用分层式的网络结构能够在基站位置较远、传感器节点分散的无线传感器网络中进一步节省功率。

不好意思，原作者佚名。

说明：这篇文章是用Windows Live Writer发的，无奈上传文件的插件发癫，把四篇文档都弄成一个名字显示出来。但是链接是链接到不同的文档，前两篇中文，后两篇英文，需要的同学就都下载吧，质量都不错。我就懒得改了。:)

在上一篇文档中出现的封面图片，颇为震撼。看看国外电子工程师的工作待遇！想想我们平时设计软件，要是也能有2～3个显示器该有多好啊，可以极大的提高工作效率。其实一个显示器连工程师周薪都不值，为什么国内的老板们几乎没有这么做的呢？

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最终用户和系统开发商有多种理由急需标准化，这些理由包括：符合全球管制的要求、各种供应商产品间互操作性的需要、有备用的第二个货源渠道、能进行货比三家式的砍价以及与大量知识接轨的可能等。但还有其他一些。一些技术的开发成本非常高，以至于必须通过大批量生产才能收回成本并盈利。若实现大批量，则全球市场的表现至关重要。标准是实现全球认知的一个极佳载体，是全球市场繁荣的助推剂。

无线传感器系统架构

无线传感器系统的基本架构包括三层，如图1所示。最底层的是无线收发器。在发射端，它负责将数字信息转换为无线电磁信号并经发射器传送出去；在接收端，它将接收到的电磁信号恢复成数字信号。在以往的无线技术中，发射器只管发射，接收器也仅能接收。现在，为了提高可靠性和性能，许多技术已将发射和接收设备整合在一起。

 
图1：无线传感器设备的基本架构。

芯片厂商需要通过大批量销售来获得盈利，而大批量需要涉及到全球市场。要想让全球性技术市场腾飞，历史证明，标准至关重要。上述判断对Wi-Fi无线网络 (技术上称为IEEE 802.11 a/b/g/n/)和蓝牙(基于IEEE 802.15.1规范中定义的标准)都适用。被无线个人局域工作组在2003年制定的IEEE 802.15.4 (a/b)标准统治的传感器网络也不例外。

上述三种技术定位于不同应用。Wi-Fi被认为是有线以太网PC通信的替代技术，即中心有个基站、PC就在中心附近的高数据速率网络(也即星型网络结构)。为了实现局部区域的高数据速率，Wi-Fi的功耗相当大，一般需要采用笔记本电脑的电池供电。

数据速率将随着与基站距离的增加而显著降低。蓝牙被认为与手机一起构成了众人注目的中心：它能把手机与耳机、GPS设备和笔记本电脑连在一起。1Mbps的蓝牙数据速率对传送音频是绰绰有余了，但它比Wi-Fi的数据速率起码低一个数量级。

但另一方面，蓝牙的功耗低，通常采用手机电池供电。一般来说，蓝牙的通信距离也比Wi-Fi短，当然，它也反映了手机一般就与耳机、笔记本电脑和GPS设备一起使用这个事实。

传感器应用有截然不同的需求，特别是在功耗方面：在采用钮扣电池或太阳能电池及振动发电采集器等环境能源的场合，传感器一般必须要工作发好几年，而传感器所用的电池无法象笔记本电脑或手机电池那样充电。

其他一些传感器特有的要求是由以下因素决定的，如可靠性、通信距离、在单一网络中所需支持的最大节点数以及自动网络组织需求等。不过较低的数据速率一般即可满足传感器网络要求，因为大多传感器产生的数据量并不大，而且一般并非连续输出。

对无线传感器收发器而言，IEEE 802.15.4规范可能是主要且可能唯一的实用标准。2003年批准了该规范的第一版，2006年进行了升级。目前有多家公司提供这方面的收发器芯片。其中一些芯片仅实现了该标准的很少部分。另一些芯片提供对某些应用来说有用的附加功能。例如，GreenPeak公司的GP-2000收发器就具有许多特别适用于钮扣电池和低电能应用的低功耗特性。

表1列举了IEEE 802.15.4标准的一些主要参数，并与蓝牙进行了比较。一直有人尝试着把Wi-Fi和蓝牙应用于传感器应用。在这两种场合，蓝牙和Wi-Fi都以非标准方式加以利用，从而过迂回实现了IEEE 802.15.4的基本原理。人们普遍承认，IEEE 802.15.4能为无线传感器应用提供最佳方案。

 
表1: IEEE 802.15.4标准及蓝牙的一些主要参数比较。

并非所有技术供应商都遵循IEEE 802.15.4标准。一些公司出于降低复杂性和成本的考虑，自己研制专用收发器。但这些专用方案是否能达到足以真正降低成本的批量尚待观察。另外，降低复杂性一般以牺牲性能为代价，因此限制了这些方案的使用范围。

网络堆栈

网络堆栈有两个职责。首先，它构成并维持该网络。特别是无线网络堆栈必须要能应对节点间的无线链接通信质量的频繁变化。例如，在建筑自动化应用中，走来走去的人(即一个人站在两个节点之间)会对链接质量带来很大影响。因此，网络堆栈必须考虑到链接随时都可能消失进而造成一个节点甚至整个网络分支被隔绝的情况。

 
图2：最主要的传感器网络堆栈标准示意图。

为防范干扰，网络堆栈必须能重新路由通信路径并建立新连接，以便为网络内所有部分提供不被打扰的连通性。网络堆栈的第二个职能是确保讯息可靠高效地从源节点发送到目标节点。高效意味着延时要求—消息的传输时间—应被满足，而且应避免在信息的路由行程中出现瓶颈。

无线传感器应用的范围很广，要求差异也很大，因此通信技术要有一定的灵活性。单靠硬件无法提供这种灵活性。它需要一个可编程堆栈，借此来减少前期投入并支持供应商以较低批量获得可观回报。目前，已出现了一些标准网络堆栈，另有一些在开发中，它们全都以IEEE 802.15.4为基础。

ZigBee联盟的影响

ZigBee联盟是由众多技术供应商和OEM支持的独立标准组织。该组织最近里程碑式的工作是 2007年底完成了对两个网络堆栈规范的定稿，这两个网络栈是：ZigBee和ZigBee PRO。从使用角度看，ZigBee堆栈很适合一般包含十到几百个设备的住宅“家庭”网络。ZigBee PRO是ZigBee的超集，它增加了一些功能，可对网络进行扩展并更好地应对来自其他技术的无线干扰。

这些特性使 ZigBee PRO很适合诸如商用建筑等大规模应用。目前来说，该功能需要越来越大的程序存储器空间，从而增加了成本，进而限制了ZigBee PRO在许多消费市场的应用。但归功于芯片成本的不断下降 ，我们预计，ZigBee和ZigBee PRO间的成本差异不久就会变得微不足道，届时，许多应用将采用ZigBee PRO。

ZigBee联盟并没明确要把工业应用排除在外。但若干大的工业自动化企业已经确认需要一些额外功能，而这些功能并不在ZigBee联盟考虑的要事之列。两个最主要的“工业”特性是确定的延时和确定的可靠性。

延时是信息从源到目的地所需时间。如果源是PLC、目的地是机器，则严谨地控制延时就很重要。这就是为什么明确以工业自动化为目标的那些标准在研发一种称为 “保证时隙”的IEEE 802.15.4特性，这一特性可以确保最坏情况下的信息延时。目前，ZigBee并没有使用保证时隙功能。确定的可靠性指的是在两个无线节点间提供有保证的通信信道的能力。

可靠性的主要敌人是来自相同无线频段其他用户的无线干扰。就工作在2.4GHz频段的IEEE 802.15.4设备来说，最主要的干扰源是Wi-Fi收发器。大多数干扰源并不彻底阻断IEEE 802.15.4设备。

但无论设备采用哪种网络堆，干扰确实会造成无线数据的丢失。为缓解数据丢失造成的影响，工业设备采用的无线标准提供了一种允许数据丢失按时间均匀分布的机制，从而令传输更具预见性也更可靠。

ISA-100和无线HART

ISA-100和无线HART是两个具有强劲推动力的工业无线自动化标准。ISA-100是专注于工业自动化的非盈利技术机构—仪器仪表、系统与自动化协会(ISA)开发的。ISA-100将在2008-2009年度推出一个标准规范。

无线HART不是一个完整工业传感器协议，而是用于工业自动化的历史悠久但很流行的HART工业(有线)总线标准的补充。本质上，无线HART是有线信息传输协议HART的替代技术。因ISA-100和无线HART本质上解决的问题相同，最近，它们联合起来检讨两个标准是否能合二为一。最初版本很可能不具互操作性且需要网络桥接(即两个系统间的转换器)。后续版本或许定义一种公共语言。

工业标准的性能增强也能转换为商业建筑自动化领域中的优势，但一般不是主要的。而且这种改进也增加了不菲的成本，从而限制了其在住宅和商业应用方面的使用前景。表2列出了上述一些商业和工业标准的特性。

表2：部分商业和工业标准的特性比较。

专用无线技术

除标准无线传感器技术外，一些公司还有自己特有的专用技术。专用技术规范并非一定就是封闭的。它意味着一家公司控制了技术的方向，并将顺理成章地导致垄断。专用标准一般是为满足单一或有限应用而制定。实际上，专用技术的开发速度比标准技术快得多，因为它不必象标准技术那样要在不同公司间达成共识。

对一些特定应用来说，专用技术可能比标准技术更有优势。Zensys公司的Z-Wave和Cornis公司的Wavenis就是两种最著名的无线传感器专用技术。Z-Wave定位于住宅自动化，它最大支持237个节点就是例证。该节点数对家用而言是足够了，但无法满足诸如饭店和写字楼等大的商业机构的需求。 Wavenis虽然也面向其他应用，但主要还是应用于自动抄表系统。

即使在标准范围内，也存在许多技术差异化机会。例如， GreenPeak公司提供的兼容IEEE 802.15.4的收发器和堆栈，它们增加了非常适合超低功耗应用的功能特性。该技术支持无线系统以钮扣电池甚至环境能源(如太阳能电池、振动发电采集器或其他环境能源转换器)为工作电源。

GreenPeak还开发出了低功耗路由(LPR)技术，该技术有可能在不远的将来成为标准。在LPR网络内，电池供电设备可接收来自附近设备的信息并将其沿更长通信链路转发下去。目前的标准仅能在向主电源供电的设备提供这种功能。这是因为这些标准要求设备处在连续监听状态，因此功耗相当高。与此不同，LPR网络内的设备并不一直工作，它增加了一种时间同步机制，该机制可以把各个设备同时唤醒并启动通信，从而降低了功耗。

作者：Niek Van Dierdonck

策略与产品管理副总裁

Greenpeak公司

本系列文章分为5个部分，第一部分介绍采样的概念以及奈奎斯特（Nyquist）采样准则。第5部分同样也说明了如何运用欠采样和抗混叠滤波器。

第二部分解释ADC和DAC如何通过均衡误差、偏移误差和其它的直流误差而引入噪声。

第三部分，介绍实际ADC中的失真和噪声。

第四篇，介绍抖动、延迟和其它ADC中的误差。

第5部分，介绍DAC的性能，包括毛刺脉冲和滚降。

1. 什么是小信号带宽（SSBW）？

小信号带宽（Small Signal Bandwidth (SSBW)）是指在指定的幅值输入信号及特定的频率下，它的输出幅值比低频时的输出幅值下降指定值时，该特定频率为小信号带宽。

2. 什么是共模电压（VCM）？

共模电压（Common Mode Voltage (VCM )）是差动输入的两个引脚上相同的直流输入电压。

3. 什么是MSB（最高有效位）？

MSB（最高有效位（Most Significant Bit）），是具有最大的值或权重的位。它的值是满量程的一半。

4. 什么是采样（孔径）延时？

采样（孔径）延时（Sampling (Aperture) Delay）是时钟输入的后边缘到采样开关打开所需的时间。采样/保持电路有效地停止输入信号捕获，并进入“保持”模式，确定时钟延时后的采样。

5. 什么是满量程（FS）输入范围？

满量程输入范围（Full Scale Input Range），是指模数转换器上数字化的输入电压的输入范围，既不低于这个范围也不超过这个范围。比如 V REF + = 3.5V 和 VREF – = 1.5V, FS = (VREF + )-(VREF – ) = 2.0V。

6. 什么是时钟占空比？

时钟占空比（Clock Duty Cycle）是时钟波形高电平时间和一个时钟周期总时间的比值。

7. 什么是位的有效数（ENOB ，或有效位）？

位的有效数（ENOB ，或有效位）（Effective Number of Bits (ENOB, 或Effective Bits)）是信噪比和失真的比率，或SINAD的另一种表达方法。 ENOB定义为(SINAD -1.76)/ 6.02，这个位数(ENOB)表示转换器是与理想的模数转换器等效。

8. 什么是增益误差？

增益误差是在第一个代码和最后一个代码发生转换时，实际输人电压与理想输人电压之差。即，这个差值是：满量程 – 2 LSB。

9. 许多模数转换器在数据手册中提供的应用，在Va, Vd 和Vref引脚上出现了三个电容。这三个电容器都是必须的吗？

根据特定器件和电路板的布局，一个或两个电容可能就足够了。较大的电容，通常是5到10?F的，提供了低阻抗大容量存储，在转换期间保证了电压的稳定性。较小值的电容器吸收较高频率的噪音尖峰。如果印制电路板具有非常好的布局用于低噪声工作，而且不包含一个微控制器或其他的嘈杂的数字逻辑，可能需要更少的电容器。但是为使ADC工作电平精度获得保证，一般情况下最好是遵循数据手册的推荐。

10. 什么是零误差？

ADC双级输出的零误差是理论的输入电压（典型的是中心值加1/2LSB）和实际输入电压之间的差异，这个实际输入电压引起了输出从0到1的转换。

11. 什么是输出保持时间？

输出保持时间是指在输入时钟边缘后输出有效数据的时间长度。

12. 什么是分辨率？

分辨率是模拟增量，相当于1 LSB转换器代码的变化。分辨率也被定义为转换器位数（n）的个数。数字代码的个数等于2^n，其中“n”是位的个数。举一个例子，一个12位转换器模拟信号和2 ^ 12 = 4096数字编码的映射关系。12位模数转换器的分辨率，是输入电压的满量程除以2^12，或4096，不会引起输出代码超出范围。

13. 什么是微分相位误差？

微分相位误差（Differential Phase Error）是指，小信号正弦波在两个不同的直流（DC)输入电平重构下，输出相位的差。

14. 什么是模/数转换器的动态指标？

模/ 数转换器的动态指标（Dynamic Specifications）涉及到那些交流（AC）输入信号。这些包括信/噪比（SNR），SINAD（信号噪声+失真），ENOB（有效位数），THD（总谐波失真），IMD（互调失真） ，FPBW（全功率带宽），SSBW（小信号带宽）。

15. 什么是互调失真（IMD）？

互调失真 (Intermodulation Distortion)，是指没有出现在输入端，作为两个正弦曲线的频率同时作用于模数转换器的输入，而形成的额外的频谱成分。它被定义为在互调积中的能量和原始频率中的总能量比值。互调失真（IMD）通常用分贝（dB）来表示。

16. 什么是增益温度系数（满量程温度系数）？

增益温度系数（满量程温度系数）是指增益误差变化量和温度变化量的比值。通常用每百万分之/ 摄氏度(ppm/°C)表示 。

17. 什么是总谐波失真(THD)？

总谐波失真(THD)，用dB或dBc表示，是指总的谐波电平（ 美国国家半导体模数转换器是9个谐波段 ）和输入信号的倍频出现在输出的电平。总谐波失真(THD)计算方法如下： THD=sqrt[ ( f2xf2 + f3xf3 + f4xf4 + f5xf5 + f6xf6 + f7xf7 + f8xf8 + f9xf9 + f10xf10) / (f1xf1) ] f1是输入信号的基频，f2 到f10这9个谐波频率是基频的倍频。

18. 什么是零刻度偏移误差？

单极输出模数转换器的零刻度偏移误差是指理想的输入电压(1/2 LSB) 和实际输入电压之间的差，引起输出代码由0到输出代码1的转换。

19. 什么是全功率带宽(FPBW)？

全功率带宽(FPBW)是指满量程输入在重构的输出基频下降到3分贝时低于其低频值的频率。

20. 什么LSB（最低有效位）？

LSB（最低有效位），是指所有位中最小的值或权值。这个值是m*VREF/2 n，其中：“ m ”为主，是基准量程因子（这是最常见的单位），其中“n”是模数转换器的分辨率。

21. 怎样才能消除模数转换器时钟线和控制线上的超调量和/或欠调量？

超调量和/或欠调量，是由高速信号边缘和不匹配信号终端混合引起的。增加一个47至100Ω电阻串联到输入，电阻要尽可能的靠近时钟源。目的是为了和时钟线上的信号阻抗匹配，输电线路也应该这样考虑。串联的终端用一个小的附加电源，为减少摆动效应通常是足够了。

22. 什么是输出延时？

输出延时是指输入时钟的后边缘到数据更新出现在输出引脚的延迟时间。

23. 什么是孔径抖动？

孔径抖动是指采样值间孔径延时的变化。孔径抖动作为输入噪声出现。

24. 什么是信号噪声及失真比(S/(N+D) 或 SINAD) ？

信号噪声及失真比(S/(N+D) 或 SINAD)，用分贝表示（dB），出现在输出的输入信号的有效值和所有其他光谱成分的有效值的比值，频谱成分包括低于时钟频率一半频谱的谐波，但不包括直流。

25. 什么是满量程阶跃响应？

满量程阶跃响应，定义为VIN从VREF-变化到VREF+，或从VREF＋变化到 VREF-，为转换器设定足够的恢复，并满足其额定精度的转换所需的时间。

26. 什么是通道延时（潜伏期）？

通道延时（潜伏期），是指转换启动到转换的数据出现在输出驱动级时之间的时钟周期的数量。数据对于任何给定的采样是可利用通道延时加上输出延迟后进行采样。每隔一个时钟周期，可得到新的数据，但数据落后于通道延时加上输出延时。

27. 什么是模拟 /数字转换器的静态指标？

静态指标是关于模数转换器的直流（DC ）信号输入的指标。这些包括增益误差，偏移误差，以及微分与积分线性误差。

28. 什么是总不可调整误差（TUE）？

总不可调整误差（Total Unadjusted Error(TUE)），是指理想的情况下数字代码的中心和输入电压范围相关的电压的最大偏差。总未调整误差包括偏移误差，增益误差，以及微分与积分非线性误差。

29. 什么是满量程误差？

满量程误差，是最后代码的转换离理想的1个 1/2 LSB 以下VREF +到多大范围的测量，并定义为：VFSE =Vmax + 1.5 LSB – VREF + ，其中Vmax是转换为最大代码时的电压，可以用伏特表示，最低有效位或满量程范围的百分数。

30. 什么是孔径（Aperture）延时？

光圈延时: 请看采样（Aperture）延时。

31. 什么是微分非线性(DNL)?

微分非线性(DNL)是衡量1 LSB的理想步长最大偏差。 DNL常见的测量是基于带斜波的额定时钟频率的输入。

32. 什么是超过额定值的恢复时间？

超过额定值的恢复时间是指规定VIN从一个指定的正常输入范围外的电压到正常输入范围内的电压，并带有其转换额定精度转换器所需要的转换时间。

33. 什么是最低偏移？

最低偏移是指刚好引起输出代码转换为首代码的输入电压和负基准参考电压之差。最低偏移定义为EOB=VZT-VRB，其中，VZT是使首代码转换的输入电压，VRB是负的基准参考电压。注意，这和正常的最低偏移误差是有区别的。

34. 什么是量化误差？

量化误差是指在所有的模/数转换器中固有的误差。即使是一个“理想”转换器因只有有限的分辨率，在两个相邻的输出码之间的任何模拟电压，导致在输出的代码是不精确的，最高达1/2 LSB。这就是量化误差。

35. 什么是无杂散信号动态范围(SFDR)？

无杂散信号动态范围(SFDR）是一个差值，用分贝（dB）表示，是指在输出的输入信号有效值和最大杂散信号的差，其中杂散信号是指没有出现在输入端的频谱，却出现在输出中的任何信号。

36. 什么是比例运放？

比例运放使用基准参考电压是用于模数转换器（ADC）驱动信号源，就是信号源输出和独立的基准参考电压的比例。当驱动电压也被用来作为模数转换器的基准参考电压的一个来源时，模数转换器输出代码是信号源输出和基准参考电压的比例的一个函数，为了限制基准参考电压范围，模数转换器输出代码独立于基准参考电压的值。

37. 什么是最高偏移？

最高偏移是指正的参考电压和刚好引起输出代码转换到满量程的输入电压之间的差，定义为 EOT = VFT – VREF+，其中，VFT是满量程转换的输入电压，VREF+是正的参考电压。注意，这和满量程误差或满量程增益误差是有区别的。

38. 什么是差分增益误差？

差分增益误差（Differential Gain Error ），是指定的小信号，高频正弦波输入向两个不同的直流电平输入的输出振幅之间差的百分比。

39. 什么是转换延时？

转换延时: 请看通道延时。

40. 什么是积分非线性(INL) ？

积分非线性(Integral Non-Linearity (INL)) 是单个代码的最大偏差的测量，该单个代码来自于一条描述从零刻度或负满刻度（在首代码转换的1/2LSB以下）到正的满刻度（在最后一个代码转换的1个1/2 LSB）的线。通过运用重点测试方法，这个直线能够衡量任何给定代码和代码值中心的偏差。积分非线性是对斜波输入的额定时钟频率进行的普通测量。

41. 什么是转换时间？

转换时间是指模数转换器完全一个转换所需的时间。转换时间不包括采样时间，多路复用器设置时间，或完成一个转换周期的其他部分，转换时间可能少于吞吐量时间。

42. 什么是电源抑制比(PSRR) ？

电源抑制比（Power Supply Rejection Ratio)，可分为两种规格。直流电源抑制比（DC PSRR ）是特定参数的变化量（例如，满量程误差）和一个电源电压指定变化量的比值。交流电源抑制比（AC PSRR）是衡量一个电源上叠加的特定频率和振幅的信号，这个信号在输出上的输出振幅，和它在电源引脚上的振幅的比值。电源抑制比（PSRR）通常用分贝表示。

43. 什么是遗漏码？

遗漏码，是那些输出码被忽略的，或将永远不会出现在模数转换器输出的。这些码不能通过任何输入值。

44. 什么是吞吐量率？

吞吐率是模数转换器最高的连续转换率。

45. 什么是信噪比(SNR)？

信噪比(SNR）是一个比率，用分贝（dB）表示，出现在输出的输入信号的有效值和所有其他频谱成分（低于采样频率的一半，除谐波分量和直流分量外）总和的有效值的比率。信噪比 (SNR)是信号电平的有效值与各种噪声(包括量化噪声、热噪声、白噪声等)有效值之比的分贝数。其中信号是指基波分量的有效值，噪声指奈奎斯特频率以下的全部非基波分量的有效值(除谐波分量和直流分量外)。

46. 什么是吞吐时间？

吞吐时间是指转换器完成一次转换所花的时间。吞吐时间包括任何多路复用器的建立时间，采样时间，转换时间，输出显示时间。

47. 什么是直流共模误差？

直流共模误差（DC Common-Mode Error）是用于模数转换器的差分输入的一个规格。当两个输入上的模拟电压被改变相同的值时，发生输出代码的变化量。它通常用LSBs表示。

48. 什么是偏置误差？

ADC的偏置误差定义为使最低位被置成“1”状态时ADC的输人电压，与理论上使最低位被置成“1”状态时的输人电压之差。

49. 印制电路板的电源地是否应作为数字和模拟的共同地？

是的，他们应该是一样的。但是重要的是，要慎重给所有电源和信号布线以使地电流与电源和信号分开。

50. 印制电路板的多个地层应该如何被连接？

不推荐使用多个地层。最好是用单个、统一的地层。请参阅存档在线研讨会，标题为 http://www.national.com/AU/design/0,4706,0_15_,00.html “在混合信号和数字系统中控制噪声和辐射”。

51. 在印制电路板上没有电源层会有什么影响？

没有电源层降低了电源和地之间的耦合电容。这是这种办法的缺点。不过您仍可以为电源线使用大区域（极其宽的铜箔走线） ，但是如果要尽量最小化噪声，重要的一点就是让电路板上的模拟和数字电流在他们各自的区域里，这就是为什么我们建议电源走线，而不是电源层。

52. 在设计一个印制电路板时，把地层和电源层分开好吗？

如果你非常细心，把地层和电源层分开也是能够工作的。在不合适的地上布一个信号线，可引起噪音和电磁干扰问题。其中一个问题是，任何特定的路线可能有数字和模拟电流混合连接在一起。

53. 对于低频设计（低于1兆赫），印制电路板上的单个地层是否有优势？

答案是肯定的，单个地层有助于最大限度地减少电磁干扰的问题，而且对于低频用分割的地层，是比较容易做布局的。然而，使用单个地层要仔细注意电流流动，从而使你得到极好的性能效果，而最大限度地减少电磁干扰。

54. 当设计一个多层印制电路板时，对于和模拟电路相关的电源层和地层，一个好的放置顺序是怎样的？

对于四层板，好的顺序是信号走线在顶层和底层，地层在第二层（或第三层），电源布线（有时是其他布线）在第三层（或第二层）。对于六层板，第一层至第六层将按这个顺序：信号、地、电源（或信号）、信号（或电源），地、信号。

55. 许多模数转换器有一个大的输入尖峰信号。当试图用一个大的电容器去虑除它时，却得不到期望的转换结果。这是为什么呢？

当今大多数的模数转换器是采样输入的，当模数转换器在采样模式时，开关接通给一个输入电容器充电。在保持模式下，输入开关断开，这个输入电容器向内部的保持电容器转移电荷。当输入开关再次闭合时，输入电容器上的电荷已不是开关断开之前的值了，所以输入电流脉冲需要重新给那个输入电容器充电。结果在模数转换器的输入上就看到一个电压脉冲。不要试图完全过滤掉这个看作电流平均值的脉冲，否则可能因提供一个不准确的采样电压而有错误的转换结果。

56. "ppm"代表什么意思？我怎样才能把它转换成那些我们所熟悉的单位？

PPM是指"百万分之"，或1/1,000,000，或 0.000001。它也等于0.0001%。 1ppm等价于1V分之1uV

器件如上图所示，此图片不是我拍的，是一个Polish语的论坛里的。（可见此器件用的人好多啊）。

这是我N年前买的一根USB转串口线，从杂物堆里翻出来要用的时候，怎么都找不到驱动程序。还是在一个我看不懂的论坛里发现有用信息的，感谢google translator，然后注册了一个国外极多广告的下载站（好危险呀）。获得了如下程序。

本以为安装一下就可以了，怎奈安装程序本身就无法完成，重启N次，折腾N久。如果和我的遭遇相同，请按下述步骤操作，把目录\IOGEARS_USB_TO_DP9\Windows\system32\drivers下面的文件拷贝到对应的操作系统目录C:\WINDOWS\system32\drivers，把\IOGEARS_USB_TO_DP9\Windows\system下的文件也拷到操作系统对应目录，然后在找到新硬件的界面选择驱动程序的inf文件目录为IOGEARS_USB_TO_DP9\Windows\inf，这样驱动程序就可以装载完成了。

虽然只省了十块钱左右，还是很有成就感的，呵呵。