基于射頻芯片CC2430的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
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一、引言
ZigBee[2]是一種基于IEEE802.15.4規(guī)范的無(wú)線技術(shù)。它具有在802.15.4規(guī)范上創(chuàng)建的安全和應(yīng)用層接口、工作于免授權(quán)的2.4GHz頻段、以年計(jì)算的超低電池壽命、極大可伸縮的網(wǎng)絡(luò)和星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌總€(gè)主設(shè)備可支持4萬(wàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)）等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防軍事、工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間[3]。
RF CC2430芯片[4]以強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌人式機(jī)構(gòu)很高的認(rèn)可。它結(jié)合Chipcon公司全球先進(jìn)的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，展示了領(lǐng)先的ZigBee解決方案。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工控系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，同時(shí)也適用于ZigBee之外2. 4GHz頻率的其他設(shè)備。
二、硬件設(shè)計(jì)
1、芯片無(wú)線收發(fā)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)
CC2430芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線接收的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器和I/Q下變頻處理后，中頻信號(hào)只有2MHz，此混合I/Q信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、AD變換、自動(dòng)增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò)，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。
圖1 CC2430芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)
發(fā)射機(jī)部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過(guò)硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。根據(jù)TEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個(gè)比特被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到DA變換器。然后，經(jīng)過(guò)低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號(hào)最終被調(diào)制到2.4GHz，并經(jīng)過(guò)放大后經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射出去。
2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
傳感器節(jié)點(diǎn)一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)傳輸單元以及電源管理單元等模塊組成[5]。節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)由圖2所示。微處理器ATmega128通過(guò)SPI總線和一些離散控制信號(hào)與RF收發(fā)芯片CC2430進(jìn)行通信。
圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成框圖
CC2430外圍電路如圖3所示。CC2430內(nèi)部使用1.8V工作電壓，適合于電池供電的設(shè)備，外部數(shù)字I/O接口使用3.3V電壓，這樣可以保持和3.3V邏輯器件的兼容型。它在片上集成了一個(gè)自流穩(wěn)壓器，能夠把3.3V電壓轉(zhuǎn)化成1.8V電壓。這樣對(duì)于只有3.3 V電源的設(shè)備，不需要額外的電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。
圖3 CC2430芯片外圍電路
CC2430射頻信號(hào)的收發(fā)采用差分方式進(jìn)行傳輸，其最佳差分負(fù)載是 ，阻抗匹配電路應(yīng)該根據(jù)這個(gè)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。如果使用單端天線則需要使用平衡/非平衡阻抗轉(zhuǎn)換電路（BALLUN，巴倫電路），以達(dá)到最佳收發(fā)效果。
CC2430需要有16MHz的參考時(shí)鐘用于250kbps數(shù)據(jù)的收發(fā)。這個(gè)參考時(shí)鐘可以來(lái)自外部時(shí)鐘源，也可以使用內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生。如果使用外部時(shí)鐘，直接從XOSC16-Q1引腳引入，XOSC16-Q2保持懸空;如果使用內(nèi)部晶體振蕩器，晶體接在XOSC16-Q1和XOSC16_Q2引腳之間。CC2430要求時(shí)鐘源的精度應(yīng)該在 以內(nèi)。
三、軟件設(shè)計(jì)
按照硬件電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件編程的基本思路[6]是：先對(duì)SPI端口、CC2430控制端口初始化;使能SPI端口、UART端口和ADC;對(duì)CC2430芯片初始化;開(kāi)啟接收機(jī)后，就可以運(yùn)行任務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收程序流程圖如圖4和圖5所示。
圖4 發(fā)送程序流程圖
圖5 接收程序流程圖
無(wú)線通信協(xié)議是軟件中的一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)樗越雨P(guān)系到節(jié)點(diǎn)的性能。因此，在鏈路層，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)化的CSMA/CA協(xié)議，即任何節(jié)點(diǎn)在發(fā)送之前必須進(jìn)行一段隨機(jī)時(shí)間的偵聽(tīng)，在確認(rèn)目前沒(méi)有別的節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，收發(fā)雙方通過(guò)三次握手來(lái)交換數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)空閑時(shí)，關(guān)閉偵聽(tīng)功能，以盡可能降低功耗。當(dāng)然，這種協(xié)議存在著隱含節(jié)點(diǎn)以及偵聽(tīng)時(shí)的功耗損失等問(wèn)題，但在一定的節(jié)點(diǎn)數(shù)量范圍內(nèi)還是很有效的。在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議上，采用了簡(jiǎn)化的IPv6路由協(xié)議[7]，之所以采用IPv6，是考慮到IPv6的巨大的地址空間、鄰居發(fā)現(xiàn)功能、安全性好等優(yōu)良特性。
四、結(jié)束語(yǔ)
Smart RF CC2430是一款符合ZigBee技術(shù)的高集成度商業(yè)用射頻收發(fā)器件，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范，工作于免授權(quán)的2. 4GHz頻段。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成本低、功耗小，適用于電池長(zhǎng)期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用提供了理想的解決方案。
下載文檔XL520為SOP8封裝,正常工作電壓范圍2.0~5.5V,正常工作電流3.0~3.2mA,啟動(dòng)時(shí)間2.2ms,接收靈敏度最高可達(dá)到-110dBm,非常適合各種低功耗要求的設(shè)備等。片內(nèi)自動(dòng)完成所有的RF和IF調(diào)諧,在開(kāi)發(fā)...
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