基于通用異步收發(fā)模式接口實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)

作者：尹應(yīng)鵬，李平舟，郭志華

現(xiàn)在，無線通信技術(shù)已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題之一。ZigBee采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，利用全球共用的2.4 GHz公共頻率進(jìn)行無線測(cè)量和系統(tǒng)監(jiān)控，而且具有明顯的低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。目前，ZigBee技術(shù)已被視為替代有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一。為此，本文論述了一種基于CC2430芯片的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)方法。

1 ZigBee簡(jiǎn)介

ZigBee是一種基于IEEE802.15.0標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該無線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，主要用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和測(cè)量控制方面。國(guó)際上，IEEE802.15.4工作組及ZigBee聯(lián)盟共同致力于該無線連接技術(shù)的推廣工作，其中，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定ZigBee物理層及MAC層協(xié)議．其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以便于今后不同廠商設(shè)備的互聯(lián)互通；ZigBee聯(lián)盟則負(fù)責(zé)高層應(yīng)用及市場(chǎng)推廣工作。于2002年成立的ZigBee聯(lián)盟如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司加入。此外，F(xiàn)reescale、TI等國(guó)際巨頭也都已推出了比較成熟的ZigBee開發(fā)平臺(tái)。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是基于802.15.4協(xié)議棧而建立的，它具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，并支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（Mesh）和簇狀結(jié)構(gòu)（Cluster tree），其中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。

ZigBee協(xié)議比藍(lán)牙、GSM、Wi-Fi更加簡(jiǎn)單實(shí)用，表1列出了ZigBee同其它無線網(wǎng)絡(luò)的比較。

2 總體設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，本文采用了基于通用異步收發(fā)模式（UART）接口的設(shè)計(jì)，以便方便的通過此接口將STIM（智能傳感器接口模塊）和該無線模塊連接在一起，從而發(fā)送用戶的數(shù)據(jù)。

為了能夠方便在線調(diào)試，并測(cè)試串口的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：一是CC2430部分，該部分采用四層板小型化設(shè)計(jì)，上面只有CC2430芯片和部分外圍器件；另一部分是測(cè)試底板，該板采用兩層板設(shè)計(jì)，包含USB與UART接口、指示燈、復(fù)位和調(diào)試接口等。這樣的設(shè)計(jì)既可以從USB接口截取電源，還可以使計(jì)算機(jī)調(diào)試UART更加方便，同時(shí)還可以簡(jiǎn)化射頻板的設(shè)計(jì)，使射頻板部分可以更加通用。 圖1所示是測(cè)試底板的電路原理圖，系統(tǒng)中CC2430的應(yīng)用電路原理圖如圖2所示。

3 CC2430芯片簡(jiǎn)介

CC2430／CC2431是芯片巨人TI公司收購(gòu)無線單片機(jī)公司CHIPCON后推出的全新概念新一代ZigBee無線單片機(jī)系列芯片。CC2430是一款真正符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的片上SOC ZigBee產(chǎn)品。CC2430除了包括RF收發(fā)器外，還集成了加強(qiáng)型8051MCU、32／64／128 KB的Flash內(nèi)存、8 KB的RAM、以及ADC、DMA、看門狗等。CC2430可工作在2.4 GHz頻段，采用低電壓（2.0～3.6 V）供電且功耗很低（接收數(shù)據(jù)時(shí)為27 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)為25 mA），其靈敏度高達(dá)-91 dBm、最大輸出為+0.6 dBm、最大傳送速率為250 kbps。

CC2430的外圍元件數(shù)目很少，它使用一個(gè)非平衡天線來連接非平衡變壓器，以使天線性能更加出色。電路中的非平衡變壓器由電容C309、C311和電感L301、L302、L303組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)可滿足RF輸入／輸出匹配電阻（50 Ω）的要求。內(nèi)部T／R交換電路用于完成LNA和PA之間的交換。R200、R201為偏置電阻，其中R200主要用于為32 MHz的晶體振蕩器提供合適的工作電流，通過R201可為芯片內(nèi)部射頻部分提供精密電流參考源。選用一只32 MHz的石英諧振器和兩只電容（C210、C211）可以構(gòu)成32 MHz晶體振蕩器電路。芯片內(nèi)部的電壓穩(wěn)壓器可為所有1.8 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，C214、C209、C200等為去耦電容，主要用于電源濾波，以提高芯片的工作穩(wěn)定性。CC2430芯片的主要特點(diǎn)如下：

◇內(nèi)含高性能和低功耗的8051微控制器核；

◇集成有符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)；

◇具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾能力。

◇休眠模式時(shí)僅0.9μA的流耗，可用外部中斷或RTC喚醒系統(tǒng)：待機(jī)模式時(shí)的電流消耗少于0.6μA，也可以用外部中斷喚醒系統(tǒng)；

◇硬件支持CSMA／CA功能；

◇具有較寬的電壓范圍（2.0～3.6 V）；

◇具有數(shù)字化的RSSI／LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能；

◇具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能；

◇內(nèi)部集成有14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC；

◇集成有AES安全協(xié)處理器；

◇帶有2個(gè)可支持幾組協(xié)議的USART，以及1個(gè)符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器。同時(shí)帶有1個(gè)常規(guī)16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器。

◇具有強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。

4程序設(shè)計(jì)

限于篇幅。這里對(duì)于軟件的設(shè)計(jì)只做簡(jiǎn)短的介紹。作者購(gòu)買的是TI公司的CC2430開發(fā)套件，其中包括調(diào)試板和軟件?，F(xiàn)在，TI已經(jīng)免費(fèi)提供原來昂貴的ZigBee協(xié)議棧，并且會(huì)有不斷的更新和完善。此外，該套件還有一些實(shí)用的例子，利用它們可以降低開發(fā)的復(fù)雜度，加快開發(fā)人員的開發(fā)速度。

5 結(jié)束語

隨著ZigBee技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，各大半導(dǎo)體廠家?guī)缀醵家呀?jīng)推出了自己的ZigBee芯片和開發(fā)套件。相信在未來幾年，它不僅可以打開大量的新應(yīng)用之門，而且還能給許多現(xiàn)有的應(yīng)用增加新的價(jià)值。由于通過各種非常簡(jiǎn)單的ZigBee器件就能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，因此，作為一個(gè)全球性標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee技術(shù)可為將來實(shí)現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造條件?？梢灶A(yù)見Zigbee無線傳感將切實(shí)改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

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